Carburo di silicio: Un cambiamento di gioco per i dispositivi a semiconduttore

Il carburo di silicio (SiC) è tornato alla ribalta come materiale tecnologico fondamentale, grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche ed elettriche. Il SiC viene utilizzato nei veicoli elettrici (EV) per operazioni a tensione più elevata, con commutazioni più rapide e minori perdite di potenza.

Il SiC si trova in natura sotto forma del raro minerale moissanite, nonché in alcuni meteoriti e nella kimberlite, sebbene la maggior parte venga prodotta sinteticamente mediante processi di legame reattivo o di sinterizzazione.

Bassa densità

Il SiC è molto più leggero del silicio, con una densità di 1,33 g/cm³; inoltre, presenta una rigidità e una conduttività termica superiori, che lo rendono il materiale ideale per applicazioni che richiedono componenti resistenti e leggeri.

La bassa dilatazione termica del SiC lo rende adatto ad applicazioni che richiedono un’elevata affidabilità in condizioni estreme, mentre la sua inerzia nei confronti di numerose sostanze chimiche e solventi lo rende altamente resistente all’usura chimica – una caratteristica indispensabile nella moderna lavorazione delle pietre preziose. Inoltre, il SiC è inerte all’usura chimica, il che lo rende un materiale importante nei moderni processi di lavorazione che utilizzano abrasivi.

I dispositivi a semiconduttore in SiC possono essere prodotti mediante vari processi, tra cui la sinterizzazione, la saldatura reattiva, la crescita cristallina e la deposizione chimica da vapore (CVD). Il SiC è caratterizzato da una bassa densità pur possedendo eccellenti proprietà di rigidità ed è adatto a temperature di esercizio che raggiungono i 300 °C.

Market Research Future ha previsto che il settore dei semiconduttori di potenza registrerà un aumento esponenziale del fatturato grazie alla crescente domanda di SiC, determinata dall’esigenza delle reti wireless 5G di disporre di semiconduttori più performanti e più efficienti dal punto di vista energetico.

I semiconduttori in SiC sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli in silicio e consentono di ridurre significativamente i costi. La loro tecnologia a banda larga garantisce minori perdite e un minore surriscaldamento nei dispositivi elettronici, con conseguente miglioramento dell’efficienza energetica: una caratteristica essenziale per l’adozione dei veicoli elettrici, poiché consentirà di ridurre le dimensioni delle batterie e i costi dei motori e degli inverter.

Resistenza alle alte temperature

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali artificiali più resistenti ed è in grado di sopportare temperature più elevate rispetto ai semiconduttori tradizionali, consentendo la realizzazione di dispositivi di potenza più piccoli e leggeri che migliorano l'efficienza energetica riducendo al contempo i costi di produzione. Inoltre, i dispositivi in SiC possono essere progettati con minori perdite di potenza e velocità di commutazione più elevate, garantendo così prestazioni migliori.

Il SiC è generalmente un isolante allo stato puro; tuttavia, se drogato con impurità per creare portatori di carica liberi e acquisire proprietà semiconduttrici (processo noto come drogaggio). Una volta drogato, il SiC può essere utilizzato per realizzare transistor in grado di convertire la corrente elettrica in energia utile, rendendo i componenti più potenti più convenienti e attraenti per gli utenti finali.

Il SiC rappresenta una scelta eccellente come materiale per applicazioni di potenza ad alte prestazioni, quali le comunicazioni RF – ormai lo standard dominante nell’IoT – grazie al suo ampio bandgap, che consente il funzionamento ad alte frequenze a tensioni più basse, garantendo una maggiore densità di potenza e minori perdite.

Il SiC è un materiale fondamentale nell'elettronica di potenza, già adottato negli inverter dei veicoli elettrici per sostituire i tradizionali semiconduttori al silicio, migliorare le prestazioni delle batterie e aumentare la sicurezza. È già utilizzato come strumento fondamentale per la modernizzazione degli inverter automobilistici.

Ampio Bandgap

L'ampio bandgap del carburo di silicio consente ai dispositivi realizzati con questo materiale di funzionare a temperature più elevate: un vantaggio in applicazioni quali la generazione e la trasmissione di energia. Inoltre, il suo ampio bandgap permette ai dispositivi realizzati con carburo di silicio di sopportare tensioni molto più elevate rispetto ai semiconduttori tradizionali.

La durezza e la rigidità superiori del carburo di silicio lo rendono un materiale eccellente per la realizzazione di specchi per telescopi astronomici. Altamente resistente agli shock termici, il carburo di silicio può essere lavorato in grandi dischi che misurano fino a 3,5 metri (11,5 piedi). Trattandosi di una ceramica non ossidica, può essere modellato sia tramite processi di legatura reattiva che di sinterizzazione, che influenzano notevolmente la sua microstruttura e le sue proprietà.

Il silicio e il carbonio sono tra i quattro elementi più abbondanti in natura; tuttavia, il carburo di silicio si trova raramente in natura, dove è presente solo in tracce minime nei giacimenti rocciosi o nei meteoriti. Ciononostante, può essere facilmente prodotto sinteticamente ed è da tempo utilizzato come abrasivo e come simulante di pietre preziose (carborundum).

I moderni metodi di produzione del carburo di silicio, destinato all’impiego nei settori degli abrasivi, della metallurgia e dei refrattari, prevedono l’utilizzo di una miscela di sabbia silicea pura e carbonio sotto forma di coke finemente macinato, che viene poi disposta attorno a un conduttore in mattoni all’interno di un forno a resistenza elettrica e riscaldata ad alte temperature fino a quando non si verificano reazioni chimiche che producono carburo di silicio e monossido di carbonio.

Alta efficienza

Mentre il mondo sta vivendo una rivoluzione energetica caratterizzata dai veicoli elettrici e dalle fonti di energia rinnovabili, la domanda di dispositivi a semiconduttori avanzati, più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico, ha registrato un’impennata. Mentre i tradizionali chip al silicio faticano a soddisfare questa domanda, le tecnologie a banda larga come il SiC e il nitruro di gallio offrono vantaggi significativi rispetto alle loro controparti.

La capacità del carburo di silicio di funzionare a temperature, frequenze e tensioni più elevate consente ai progettisti di massimizzare le prestazioni riducendo al contempo le dimensioni dei circuiti, con conseguente riduzione dei costi complessivi. Inoltre, le proprietà di dissipazione del calore del carburo di silicio contribuiscono ad abbassare le temperature complessive del sistema, garantendo una maggiore efficienza e affidabilità.

I dispositivi a base di carburo di silicio presentano inoltre limiti di campo elettrico critico più elevati rispetto alle loro controparti a base di silicio, il che consente loro di gestire correnti notevolmente più elevate con perdite di commutazione ridotte, migliorando così in modo significativo l'efficienza e le prestazioni dei dispositivi.

Le proprietà uniche del carburo di silicio lo rendono un materiale ideale per i dispositivi semiconduttori di potenza utilizzati in varie applicazioni, tra cui i veicoli elettrici (EV), la produzione di energia solare e i sistemi di accumulo di energia. Market Research Future prevede che i dispositivi in carburo di silicio guideranno la crescita del fatturato nei prossimi cinque anni in questo segmento, grazie alla crescente domanda di energia pulita, unita alla loro efficienza, ai costi ridotti e alle dimensioni più compatte, che potrebbero rivoluzionare i settori dei trasporti, delle comunicazioni e della produzione energetica.