Platjoslas starpības pusvadītāji

Joslu spraugas mēra enerģiju, kas nepieciešama elektroniem un caurumiem, lai pārvietotos no attiecīgajām valences joslām uz vadītspējas joslām jeb vadītspējas joslām. Pusvadītājiem ar plašākām joslu atstarpēm, piemēram, gallija nitrīdam (GaN) vai silīcija karbīdam (SiC), ir ievērojami lielākas joslu atstarpes nekā standarta silīcijam, tāpēc šie materiāli ir piemēroti augstsprieguma/frekvenču lietojumiem.

1. Plaša joslas sprauga

Silīcija karbīds apvieno labākās gan pusvadītāju, gan izolatoru īpašības, veidojot ārkārtīgi universālu dažādu elektronisko ierīču būvmateriālu. Viena no tā raksturīgākajām īpašībām ir plaša joslas sprauga, kas ļauj sasniegt daudz augstāku spriegumu un temperatūru nekā tradicionālajiem pusvadītāju materiāliem, piemēram, silīcijam. Platjoslas pusvadītāji tuvākajos gados var būtiski pārveidot gan elektronikas, gan energoapgādes nozari.

Pusvadītāja joslas sprauga ir enerģijas starpība starp valences un vadītspējas joslām. Palielinoties enerģijas starpībai, elektroni var vieglāk pārvietoties starp šīm joslām un vieglāk vadīt elektrību. Tradicionālajiem pusvadītājiem, piemēram, silīcijam, joslu atstarpes ir no 1 līdz 1,5 eV, bet platjoslas pusvadītājiem, piemēram, gallija nitrīdam (GaN) un silīcija karbīdam (SiC), joslu atstarpes ir no 2,3 līdz 3,3 eV.

Platjoslas pusvadītāju priekšrocības salīdzinājumā ar silīcija pusvadītājiem ir vairākas, tostarp to spēja izturēt augstāku darba temperatūru un pārrāvuma spriegumu, tāpēc tie ir piemēroti izmantošanai barošanas avotos, kur tie var samazināt enerģijas zudumus, vienlaikus palielinot efektivitāti un samazinot lietderības zudumus. Turklāt platjoslas pusvadītāji var lepoties ar augstu siltumvadītspēju, kas ļauj ātrāk izkliedēt ierīču radīto siltumu.

Platjoslas pusvadītājiem piemīt izcilas optoelektroniskās īpašības, un tos var viegli regulēt, tāpēc tie ir piemēroti izmantošanai gaismas diodēs (LED), kas rada plašu redzamo viļņu garumu spektru, radot vairāk gaismas uz vatu un samazinot enerģijas patēriņu un ietekmi uz vidi.

2. Augsts sadalījuma lauks

Silicija karbīda plašā joslu sprauga nodrošina pietiekamu enerģijas daudzumu elektroniem, lai tie varētu pārvietoties pāri pusvadītāja struktūrai, tādējādi ļaujot tiem darboties augstākās temperatūrās, pie augstākiem spriegumiem un frekvencēs nekā ierīcēm, kas izgatavotas, izmantojot citus pusvadītāju materiālus, piemēram, gallija arsenīdu vai standarta silīciju. Turklāt tā augstais sadalīšanās elektriskā lauka stiprums ļauj samazināt ierīces izmērus un paātrināt pārslēgšanās ātrumu.

Silīcija karbīds izceļas starp līdzīgām vielām ne tikai ar spēcīgu joslas spraugu un sadalīšanās izturību, bet arī ar augstu piesātināto elektronu ātruma maksimālo ātrumu, kas samazina ierīces noplūdes strāvu, vienlaikus uzlabojot elektronisko ierīču efektivitāti.

Silīcija karbīds salīdzinājumā ar citiem pusvadītāju materiāliem nodrošina ievērojamas pretestības priekšrocības, ļaujot ierīces montēt uz mazākiem substrātiem, lai ietaupītu vietu un svaru. Turklāt tā lieliskā siltumvadītspēja ļauj ātri izvadīt siltumu no pusvadītāja, un šī īpašība padara silīcija karbīdu īpaši piemērotu lielas jaudas lietojumiem.

Silīcija karbīda augstais sadalīšanās lauks ir saistīts ar tā plašāko joslas spraugu, kam nepieciešams lielāks elektriskais lauks, lai trieciena rezultātā radītu nesējus, kas izraisa lielāku piesātinājuma elektronu ātrumu un tādējādi lielāku piesātinājuma elektronu ātrumu; rezultātā silīcija karbīda izturības spriegums ir aptuveni piecas reizes lielāks nekā standarta silīcija.

2D silīcija karbīdam (parasti sauktam par SixCy) ir daudz pielāgojamu īpašību, tostarp tiešā joslas sprauga un optiskās absorbcijas īpašības. Lai regulētu joslas struktūru, vienkārši mainiet tās sastāvu, pamatojoties uz Si/C sastāvu, mehānisko deformāciju un defektiem, kas ir tās materiāla sastāvā.

Silīcija karbīds izceļas starp augstas temperatūras materiāliem, pateicoties tā izcilajām termiskajām un elektriskajām īpašībām, kas padara to par lielisku materiālu izvēli. Silīcija karbīdam, kas darbojas 1700 līdz 1800 grādu temperatūrā, ir lieliska izturība pret radiācijas iedarbību un ķīmisko koroziju, kā arī augsts jaudas blīvums un komutācijas ātrums, kas nodrošina vairāku shēmas elementu darbību vienā iepakojumā.

3. Augsta siltuma vadītspēja

Silikons tiek uzskatīts par galveno pusvadītāju materiālu elektronikā, tomēr sāk parādīties tā ierobežojumi, jo īpaši lieljaudas lietojumos. Tā kā silīcija joslas sprauga ir zema - tikai 1,2eV, tad, salīdzinot ar citiem materiāliem, silīcija vadītspējai nepieciešams vairāk enerģijas; no otras puses, silīcija karbīdam ir daudz lielāka joslas sprauga - 3,26eV, kas ļauj tam izturēt gandrīz desmit reizes vairāk elektrisko lauku nekā tā silīcija kolēģim.

Silīcija karbīds var lepoties ar lielisku siltumvadītspēju, pateicoties tā unikālajai atomu struktūrai: lai gan silīcija masas silīcijam ir tetragonālās sp3 saites, vienslāņa SiC slāņiem ir plakanu sp2 saites, un tāpēc tiem ir īsāki starpslāņa attālumi nekā silīcija masai, kas atvieglo elektronu migrāciju no valences joslas uz vadītspējas joslu.

Silīcija karbīda lielā joslas sprauga un temperatūras un sprieguma tolerance padara to par lielisku materiālu jaudas pusvadītāju ierīcēm.

SiC siltumvadītspēja arī palielinās, pieaugot slāņu skaitam, jo notiek pāreja no tiešās joslas spraugas uz netiešo joslas spraugu struktūru, līdzīgi kā MoS2 un citu TMD; tomēr līdz šim tika ziņots tikai par vienslāņu 3C-SiC ar augstu siltumvadītspēju teorētiskā līmenī.

Osakas Metropolitēna universitātes Inženierzinātņu augstskolas pētnieki ir iegājuši vēsturē, teorētiskā līmenī veiksmīgi radot brīvi stāvošus 3C-SiC kristālus un SiC plānās plēves uz Si substrātiem ar augstu siltumvadītspēju. Izmantojot dažādas atomārā līmeņa analīzes metodes, viņi identificēja slēptās sakarības starp faktoriem, kas ietekmē LPS-SiC siltumvadītspēju.

4. Augstas temperatūras stabilitāte

Silīcija karbīds (SiC) ir ārkārtīgi izturīgs materiāls apkārtējās vides apstākļos. Tas ir ugunsizturīgs pusvadītājs, kas sastāv no Si4C tetraedriem, kuri atkarībā no sakārtojuma secības sakārtoti kubiskās, heksagonālās vai rombiskās kristāliskās struktūrās. SiC ir viens no termodinamiski visstabilākajiem zināmajiem kristāliskajiem materiāliem, kas ievērojami deformējas tikai ekstremāli augsta spiediena apstākļos, jo oglekļa atomi saglabā savas p-konjugētās orbitāles un sp2 saišu struktūru kristāliskajās struktūrās.

SiC joprojām ir viens no grūtāk sintezējamiem materiāliem, un ir veikti daudzi pētījumi par tā mehāniskajām īpašībām dažādos apstākļos. Atomu sakopojums nosaka izturību; vienslāņu SiC ir visstiprākā forma. Diemžēl tā trauslums padara to par vienu no divdimensiju materiāliem, ko ir grūtāk eksfoliēt.

2D SiC var lepoties ar ievērojamām nelineārajām optiskajām īpašībām, pateicoties tā unikālajai atomu struktūrai. Pētījumos ir pierādīts spēcīgs otrās harmonikas ģenerēšanas spektrs, kas ir būtisks nanomēroga nelineārās frekvences pārveidošanas ierīcēs, ko, iespējams, izraisa silīcija un oglekļa atomu eksitoniskā mijiedarbība tā molekulās.

2D SiC izceļas kā pievilcīgs materiāls optoelektronikas lietojumiem, piemēram, LED un lāzeriem, pateicoties tā unikālajām īpašībām. Tam ir noskaņojama joslas sprauga, ko var kontrolēt, mainot Si/C kaudzes sastāvu un mehānisko deformāciju, kas ļauj ražotājiem ražot gaismas izstarojošas ierīces, kas aptver visu redzamo spektru. Turklāt tā zemais termiskās izplešanās koeficients, cietība un stingrība padara to par piemērotu materiālu arī astronomisko teleskopu spoguļiem.

5. Lieliska elektrovadītspēja

Silīcija karbīda substrāti spēj izturēt elektriskos laukus, kas ir desmit reizes lielāki nekā silīcija, un tiem ir zemāka pretestība, kas nozīmē, ka lieljaudas lietojumiem ir iespējams izmantot mazākas vadības shēmas, nodrošinot jaudas pārveidotājus ar mazākiem enerģijas zudumiem un augstāku efektivitāti. Tāpēc šo slēdzi ir vērts izmantot jebkurā lieljaudas lietojumā!

Silīcija karbīds nodrošina lielu elektrovadītspēju, jo tā joslas sprauga ir plašāka nekā silīcijam, kas dod elektroniem vairāk enerģijas pārejai no valences joslas uz vadītspējas joslu, kā rezultātā samazinās elektriskā pretestība un palielinās pārslēgšanās ātrums.

Silīcija karbīda zemāka temperatūras tolerance salīdzinājumā ar daudziem citiem pusvadītāju materiāliem ir vēl viena priekšrocība, kas palīdz uzlabot veiktspēju, un tā ātrais reversās atjaunošanās laiks padara to īpaši piemērotu lietojumiem, kam nepieciešams ātrs reakcijas laiks.

Silīcija karbīds piedāvā iespaidīgu nelineāro optisko īpašību spektru, kas var palīdzēt uzlabot frekvences pārveidošanas ierīces. To precīzas īpašības ir atkarīgas no tādiem faktoriem kā Si un C atomu attiecība katrā slānī, kā arī struktūra un defektu sadalījums materiālā.

Silīcija karbīdam ir daudzas kopīgas īpašības ar citiem divdimensiju materiāliem, piemēram, grafēnu un h-BN, tomēr vienslāņu silīcija karbīds izceļas ar dažām unikālām īpašībām, kuras nav atrodamas citur. Jo īpaši tam ir stabila plakana struktūra kā tiešās joslas spraugas materiālam, turklāt tam ir augstāka elektronu kustība nekā h-BN vai melnajam fosforam, kas padara to par pievilcīgu kandidātu nākotnes elektroniskajiem lietojumiem.