Silicio karbidas: Puslaidininkių prietaisai

Silicio karbidas (SiC) dėl savo puikių fizikinių ir elektrinių savybių vėl tapo svarbia technologine medžiaga. SiC naudojamas elektra varomose transporto priemonėse (elektromobiliuose) aukštesnės įtampos darbams, kai reikia greičiau perjungti ir sumažinti galios nuostolius.

SiC galima rasti gamtoje, kaip retą mineralą moisanitą, tam tikruose meteorituose ir kimberlite, tačiau didžioji jo dalis gaminama sintetiniu būdu, naudojant reakcinio jungimo arba sukepinimo procesus.

Mažas tankis

SiC yra daug lengvesnis už silicį - jo tankis yra 1,33 g/cm3; be to, jis pasižymi puikiu standumu ir šilumos laidumu, todėl yra ideali medžiaga, tinkama naudoti ten, kur reikia ir tvirtumo, ir mažo svorio komponentų.

Dėl mažo šiluminio plėtimosi SiC tinka naudoti, kai reikia didelio patikimumo atšiauriomis sąlygomis, o dėl inertiškumo daugeliui cheminių medžiagų ir tirpiklių jis labai atsparus cheminiam dilimui - tai nepakeičiama savybė šiuolaikinėje lapidarystėje. Be to, SiC yra inertiškas cheminiam dilimui, todėl yra svarbi medžiaga šiuolaikiniuose apdirbimo procesuose, kuriuose naudojami abrazyviniai apdirbimo būdai.

SiC puslaidininkinius įtaisus galima gaminti įvairiais procesais, įskaitant sukepinimą, reakcinį sujungimą, kristalų augimą ir cheminį nusodinimą iš garų (CVD). SiC pasižymi nedideliu tankiu ir puikiomis standumo savybėmis, jis tinkamas naudoti iki 300o C temperatūroje.

"Market Research Future" prognozuoja, kad galios puslaidininkių pramonės pajamos eksponentiškai didės dėl didėjančios SiC paklausos, kurią lemia 5G belaidžio ryšio tinklų poreikis, susijęs su didesnio našumo ir efektyvesnio energijos vartojimo puslaidininkiais.

SiC puslaidininkiai efektyviau naudoja energiją nei jų silicio analogai ir gali gerokai sumažinti sąnaudas. Jų plataus juostos tarpo technologija leidžia sumažinti nuostolius ir įkaitimą elektronikoje, todėl padidėja energijos vartojimo efektyvumas - tai labai svarbu diegiant elektrines transporto priemones, nes sumažės akumuliatoriaus dydis, variklio ir keitiklio sąnaudos.

Atsparumas aukštai temperatūrai

Silicio karbidas (SiC) yra viena iš stipriausių žmogaus sukurtų medžiagų ir gali atlaikyti aukštesnę temperatūrą nei tradiciniai puslaidininkiai, todėl galima gaminti mažesnius ir lengvesnius energijos prietaisus, kurie pagerina energijos vartojimo efektyvumą ir kartu sumažina gamybos sąnaudas bei savikainą. Be to, SiC prietaisai gali būti projektuojami su mažesniais galios nuostoliais ir didesniu perjungimo greičiu, kad būtų užtikrintas didesnis prietaiso našumas.

Grynas SiC paprastai yra izoliatorius, tačiau, kai jis legiruojamas priemaišomis, kad susidarytų laisvieji krūvio nešikliai ir įgautų puslaidininkinių savybių (vadinamasis dopingas). Po legiruotės iš SiC galima pagaminti tranzistorius, kurie elektros srovę paverčia naudingu išėjimu, todėl galingesni komponentai tampa ekonomiškesni ir patrauklesni galutiniams vartotojams.

SiC yra puikus medžiagos pasirinkimas didelio našumo galios taikymams, tokiems kaip radijo dažnių ryšys - dabar dominuojantis daiktų interneto standartas - dėl savo plataus juostos tarpo, leidžiančio dirbti dideliu dažniu esant mažesnei įtampai, siekiant didesnio galios tankio ir mažesnių nuostolių.

SiC yra labai svarbi medžiaga galios elektronikoje, jau pradėta naudoti elektromobilių keitikliuose vietoj tradicinių silicio puslaidininkių, gerinant akumuliatorių veikimą ir didinant saugumą. Jau dabar jis naudojamas kaip svarbus būdas modernizuoti automobilių keitiklius.

Platus dažnių juostos tarpas

Dėl plataus silicio karbido juostos tarpo iš jo pagaminti prietaisai gali veikti aukštesnėje temperatūroje, o tai yra privalumas tokiose srityse kaip elektros energijos gamyba ir perdavimas. Be to, dėl plataus draustinės juostos tarpo iš silicio karbido pagaminti prietaisai gali atlaikyti daug didesnę įtampą nei tradiciniai puslaidininkiai.

Silicio karbidas pasižymi ypatingu kietumu ir standumu, todėl yra puiki medžiaga astronominių teleskopų veidrodžiams gaminti. Silicio karbidas labai atsparus terminiams smūgiams, iš jo galima pagaminti didelius, iki 3,5 m ilgio diskus. Kaip neoksidinė keramika jis gali būti formuojamas reakcinio jungimo arba sukepinimo procesais, kurie daro didelę įtaką jo mikrostruktūrai ir savybėms.

Silicis ir anglis yra vieni iš keturių labiausiai gamtoje paplitusių elementų, tačiau silicio karbidas gamtoje aptinkamas labai retai, tik nedideli jo pėdsakai randami uolienų telkiniuose arba meteorituose. Nepaisant to, jis gali būti lengvai gaminamas sintetiniu būdu ir nuo seno naudojamas kaip abrazyvas ir brangakmenių imitatorius (karborundas).

Šiuolaikiniai silicio karbido, naudojamo abrazyvų, metalurgijos ir ugniai atsparios pramonės šakose, gamybos būdai naudoja gryno kvarcinio smėlio mišinį, sumaišytą su anglimi, kuri yra smulkiai sumalto kokso pavidalo, kuris dedamas aplink elektrinės varžinės krosnies plytų laidininką ir kaitinamas aukštoje temperatūroje, kol vyksta cheminės reakcijos, kurių metu susidaro silicio karbidas ir anglies monoksido dujos.

Didelis efektyvumas

Pasaulyje vykstant elektrinių transporto priemonių ir atsinaujinančiųjų energijos šaltinių energetikos revoliucijai, išaugo pažangių puslaidininkinių prietaisų, kurie yra mažesni, greitesni ir efektyviau naudoja energiją, paklausa. Nors tradiciniai silicio lustai sunkiai tenkina šią paklausą, plataus pralaidumo technologijos, tokios kaip SiC ir galio nitridas, turi didelių pranašumų prieš analogiškus prietaisus.

Silicio karbido gebėjimas veikti aukštesnėse temperatūrose, dažniuose ir įtampose leidžia projektuotojams padidinti našumą ir kartu sumažinti grandinės dydį, todėl sumažėja bendros sąnaudos. Be to, silicio karbido šilumos išsklaidymo savybės padeda sumažinti bendrą sistemos temperatūrą, todėl padidėja efektyvumas ir patikimumas.

Silicio karbido pagrindu pagaminti prietaisai taip pat pasižymi aukštesnėmis kritinio elektrinio lauko ribomis nei jų silicio pagrindu pagaminti analogai, todėl jie gali valdyti gerokai didesnes sroves su mažesniais perjungimo nuostoliais ir taip gerokai padidinti prietaiso efektyvumą ir našumą.

Silicio karbidas dėl savo unikalių savybių yra ideali medžiaga galios puslaidininkiniams įtaisams, naudojamiems įvairiose srityse, įskaitant elektrines transporto priemones, saulės energijos gamybos ir energijos kaupimo sistemas. Rinkos tyrimų ateitis prognozuoja, kad per ateinančius penkerius metus silicio karbido prietaisai bus šio segmento pajamų augimo lyderiai dėl didėjančios švarios energijos paklausos, taip pat dėl jų efektyvumo, mažesnių sąnaudų ir mažesnio dydžio, kuris gali sukelti revoliuciją transporto, ryšių ir energijos gamybos srityse.