Silikon Karbida: Pengubah Permainan untuk Perangkat Semikonduktor

Silikon Karbida (SiC) telah kembali menjadi bahan teknologi yang penting, karena sifat fisik dan kelistrikannya yang sangat baik. SiC digunakan pada kendaraan listrik (EV) untuk operasi tegangan yang lebih tinggi dengan peralihan yang lebih cepat dan mengurangi kehilangan daya.

SiC dapat ditemukan secara alami sebagai mineral langka moissanite dan pada meteorit dan kimberlite tertentu, meskipun sebagian besar diproduksi secara sintetis dengan menggunakan ikatan reaksi atau proses sintering.

Kepadatan Rendah

SiC jauh lebih ringan daripada silikon dengan kepadatan 1,33 g/cm3; selain itu, SiC memiliki kekakuan dan konduktivitas termal yang unggul sehingga menjadikannya bahan yang ideal untuk aplikasi yang membutuhkan komponen yang kuat dan ringan.

Sifat ekspansi termal SiC yang rendah membuatnya cocok untuk aplikasi yang membutuhkan keandalan tinggi dalam kondisi yang keras, sementara sifat lembamnya terhadap banyak bahan kimia dan pelarut membuatnya sangat tahan terhadap keausan bahan kimia - karakteristik yang sangat diperlukan dalam lapidary modern. Selain itu, SiC bersifat inert terhadap keausan kimiawi sehingga menjadikannya bahan penting dalam proses pemesinan modern yang menggunakan proses pemesinan abrasif.

Perangkat semikonduktor SiC dapat diproduksi melalui berbagai proses, termasuk sintering, ikatan reaksi, pertumbuhan kristal, dan deposisi uap kimia (CVD). SiC memiliki kepadatan yang rendah namun memiliki sifat kekakuan yang sangat baik dan cocok untuk suhu operasi setinggi 300o C.

Market Research Future telah memperkirakan bahwa industri semikonduktor daya akan mengalami peningkatan pendapatan yang tumbuh secara eksponensial karena meningkatnya permintaan SiC karena kebutuhan jaringan nirkabel 5G untuk kinerja yang lebih tinggi dan semikonduktor yang lebih hemat energi.

Semikonduktor SiC lebih hemat energi dibandingkan dengan silikon dan dapat memangkas biaya secara signifikan. Teknologi celah pita lebar mereka memungkinkan lebih sedikit kerugian dan pemanasan yang lebih rendah dalam elektronik, yang mengarah pada peningkatan efisiensi energi - fitur penting dalam mengadopsi kendaraan listrik karena akan mengurangi ukuran baterai, biaya motor, dan biaya inverter.

Tahan Suhu Tinggi

Silikon Karbida (SiC) adalah salah satu bahan terkuat buatan manusia dan dapat bertahan pada suhu yang lebih tinggi daripada semikonduktor tradisional, sehingga memungkinkan perangkat berdaya lebih kecil dan lebih ringan yang meningkatkan efisiensi energi sekaligus mengurangi biaya produksi dan biaya produksi. Selain itu, perangkat SiC dapat dirancang dengan kehilangan daya yang lebih rendah dan kecepatan peralihan yang lebih cepat untuk kinerja perangkat yang lebih baik.

SiC umumnya merupakan isolator dalam keadaan murni; namun, ketika didoping dengan pengotor untuk menciptakan pembawa muatan bebas dan mendapatkan sifat semi-konduktor (dikenal sebagai doping). Setelah didoping, SiC dapat dibuat menjadi transistor yang mengubah arus listrik menjadi output yang berguna, membuat komponen yang lebih kuat lebih hemat biaya dan menarik bagi pengguna akhir.

SiC adalah pilihan material yang sangat baik untuk aplikasi daya berkinerja tinggi seperti komunikasi RF - yang kini menjadi standar dominan dalam IoT - berkat celah pita lebar yang memungkinkan operasi frekuensi tinggi pada tegangan yang lebih rendah untuk meningkatkan densitas daya dan mengurangi kerugian.

SiC adalah bahan penting dalam elektronika daya, yang telah diadopsi dalam inverter kendaraan listrik untuk menggantikan semikonduktor silikon tradisional dan meningkatkan kinerja baterai serta meningkatkan keamanan. Hal ini telah digunakan sebagai cara penting untuk memodernisasi inverter mobil.

Celah Pita Lebar

Celah pita silikon karbida yang lebar memungkinkan perangkat yang dibuat darinya beroperasi pada suhu yang lebih tinggi - suatu keuntungan dalam aplikasi seperti pembangkit listrik dan transmisi. Selain itu, celah pita yang lebar juga memungkinkan perangkat yang dibuat dengan silikon karbida untuk menahan tegangan yang jauh lebih tinggi daripada semikonduktor tradisional.

Kekerasan dan kekakuan silikon karbida yang unggul membuatnya menjadi bahan yang sangat baik untuk membuat cermin untuk teleskop astronomi. Sangat tahan terhadap goncangan termal, silikon karbida dapat dibuat menjadi cakram besar berukuran hingga 3,5 meter (11,5 kaki). Sebagai keramik non-oksida, bahan ini dapat dibentuk baik melalui ikatan reaksi atau proses sintering yang sangat memengaruhi struktur mikro serta sifat-sifatnya.

Silikon dan karbon adalah salah satu dari empat elemen yang paling melimpah di alam; namun, silikon karbida hanya terjadi secara alami dan jarang sekali ditemukan di dalam endapan batuan atau meteorit. Meskipun demikian, silikon karbida dapat dengan mudah diproduksi secara sintetis dan telah lama digunakan sebagai bahan abrasif dan batu permata (carborundum).

Metode modern dalam memproduksi silikon karbida untuk digunakan dalam industri abrasif, metalurgi, dan refraktori menggunakan campuran pasir silika murni yang dicampur dengan karbon dalam bentuk kokas yang ditumbuk halus yang kemudian ditempatkan di sekitar konduktor batu bata tungku tahan listrik dan dipanaskan pada suhu tinggi hingga terjadi reaksi kimia yang menghasilkan silikon karbida dan juga gas karbon monoksida.

Efisiensi Tinggi

Seiring dengan revolusi energi kendaraan listrik dan sumber daya terbarukan di dunia, permintaan akan perangkat semikonduktor canggih yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi melonjak. Sementara chip silikon tradisional berjuang untuk memenuhi permintaan ini, teknologi celah pita lebar seperti SiC dan galium nitrida memberikan keuntungan yang signifikan dibandingkan rekan-rekan mereka.

Kemampuan silikon karbida untuk beroperasi pada suhu, frekuensi, dan tegangan yang lebih tinggi memungkinkan perancang untuk memaksimalkan kinerja sekaligus mengurangi ukuran sirkuit - yang mengarah pada pengurangan biaya secara keseluruhan. Selain itu, sifat pembuangan panas silikon karbida membantu menurunkan suhu sistem secara keseluruhan untuk meningkatkan efisiensi dan meningkatkan keandalan.

Perangkat berbasis silikon karbida juga memiliki batas medan listrik kritis yang lebih tinggi daripada perangkat berbasis silikon, sehingga memungkinkan perangkat ini mengelola arus yang jauh lebih besar dengan mengurangi kerugian peralihan, dan dengan demikian secara signifikan meningkatkan efisiensi dan kinerja perangkat.

Sifat unik silikon karbida membuatnya menjadi bahan yang ideal untuk perangkat semikonduktor daya yang digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk kendaraan listrik (EV), pembangkit listrik tenaga surya, dan sistem penyimpanan energi. Market Research Future memprediksi bahwa perangkat silikon karbida akan memimpin pertumbuhan pendapatan selama lima tahun ke depan di segmen ini karena meningkatnya permintaan energi bersih yang dikombinasikan dengan efisiensi, pengurangan biaya, dan ukuran yang lebih kecil yang dapat merevolusi transportasi, komunikasi, dan produksi energi.