Półprzewodniki szerokopasmowe

Szczeliny pasmowe mierzą energię wymaganą do przejścia elektronów i dziur z ich odpowiednich pasm walencyjnych do pasm przewodzenia lub pasm przewodzenia. Półprzewodniki z szerszymi przerwami pasmowymi, takie jak azotek galu (GaN) lub węglik krzemu (SiC), mają znacznie większe przerwy pasmowe niż standardowy krzem, dzięki czemu materiały te nadają się do zastosowań o wysokim napięciu/częstotliwości.

1. Szerokie pasmo przenoszenia

Węglik krzemu łączy w sobie najlepsze cechy zarówno półprzewodników, jak i izolatorów, tworząc niezwykle wszechstronny budulec dla różnych urządzeń elektronicznych. Jedną z jego charakterystycznych cech jest szeroka przerwa pasmowa, umożliwiająca uzyskanie znacznie wyższych napięć i temperatur niż w przypadku tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem. Półprzewodniki szerokoprzerwowe mogą w nadchodzących latach znacząco zmienić zarówno przemysł elektroniczny, jak i zasilający.

Szczelina pasmowa półprzewodnika odnosi się do różnicy energii między jego pasmami walencyjnymi i przewodzenia. Wraz ze wzrostem różnicy energii, elektrony mogą łatwiej przemieszczać się między tymi pasmami, aby łatwiej przewodzić prąd elektryczny. Tradycyjne półprzewodniki, takie jak krzem, mają przerwy pasmowe między 1 a 1,5 eV, podczas gdy półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym, takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC), wykazują przerwy pasmowe między 2,3-3,3 eV.

Półprzewodniki szerokoprzerwowe mają kilka zalet w porównaniu do swoich krzemowych odpowiedników, w tym zdolność do wytrzymywania wyższych temperatur roboczych i napięć przebicia, dzięki czemu nadają się do stosowania w zasilaczach, gdzie mogą zmniejszyć straty energii, jednocześnie zwiększając wydajność i zmniejszając straty wydajności. Co więcej, półprzewodniki o szerokim paśmie przenoszenia charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną, co pozwala na szybsze rozpraszanie ciepła generowanego przez urządzenia.

Półprzewodniki o szerokim paśmie przenoszenia oferują doskonałe właściwości optoelektroniczne i można je łatwo dostroić, dzięki czemu nadają się do stosowania w diodach elektroluminescencyjnych (LED), które wytwarzają szerokie spektrum widzialnych długości fal, wytwarzając więcej światła na wat i zmniejszając zużycie energii oraz wpływ na środowisko.

2. Wysokie pole przebicia

Szeroka przerwa pasmowa węglika krzemu zapewnia wystarczającą ilość energii dla elektronów do przemieszczania się przez jego strukturę półprzewodnikową, umożliwiając mu pracę w wyższych temperaturach, napięciach i częstotliwościach niż urządzenia wytwarzane przy użyciu innych materiałów półprzewodnikowych, takich jak arsenek galu lub standardowy krzem. Co więcej, jego wysokie natężenie pola elektrycznego pozwala na mniejsze rozmiary urządzenia i większą szybkość przełączania.

Węglik krzemu wyróżnia się wśród swoich odpowiedników silnym pasmem wzbronionym i wytrzymałością na przebicie, ale także wysoką prędkością szczytową nasyconych elektronów, która zmniejsza prąd upływu urządzenia, jednocześnie poprawiając wydajność urządzeń elektronicznych.

Węglik krzemu oferuje znaczące zalety w zakresie odporności w porównaniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi, umożliwiając montaż urządzeń na mniejszych podłożach w celu zaoszczędzenia zarówno miejsca, jak i wagi. Co więcej, jego doskonała przewodność cieplna umożliwia szybkie odprowadzanie ciepła z półprzewodnika, a ta cecha sprawia, że węglik krzemu jest szczególnie odpowiedni do zastosowań wymagających dużej mocy.

Wysokie pole przebicia węglika krzemu wynika z jego szerszej przerwy pasmowej wymagającej większego pola elektrycznego do generowania nośników przez uderzenie, co prowadzi do wyższej prędkości elektronów nasycenia, a tym samym większej prędkości elektronów nasycenia; w rezultacie napięcie wytrzymywane węglika krzemu jest około pięć razy wyższe niż standardowego krzemu.

Dwuwęglowy węglik krzemu (powszechnie określany jako SixCy) oferuje wiele przestrajalnych właściwości, w tym bezpośrednie pasmo wzbronione i właściwości absorpcji optycznej. Aby dostroić jego strukturę pasmową, wystarczy zmienić jego skład w oparciu o skład Si/C, odkształcenia mechaniczne i defekty obecne w składzie materiału.

Węglik krzemu wyróżnia się wśród materiałów wysokotemperaturowych ze względu na swoje doskonałe właściwości termiczne i elektryczne, co czyni go doskonałym wyborem. Pracując w temperaturach od 1700 do 1800 stopni Celsjusza, węglik krzemu wykazuje doskonałą odporność na promieniowanie i korozję chemiczną, a także oferuje wysoką gęstość mocy i szybkość przełączania, obsługując wiele elementów obwodu w jednym pakiecie.

3. Wysoka przewodność cieplna

Krzem jest powszechnie uważany za najlepszy materiał półprzewodnikowy do zastosowań elektronicznych, ale jego ograniczenia zaczynają być widoczne, szczególnie w zastosowaniach wymagających dużej mocy. Ze względu na niską przerwę pasmową wynoszącą zaledwie 1,2eV, krzem wymaga więcej energii do przewodzenia w porównaniu z innymi materiałami; z drugiej strony węglik krzemu ma znacznie większą przerwę pasmową wynoszącą 3,26eV, co pozwala mu obsługiwać prawie dziesięciokrotnie więcej pól elektrycznych niż jego krzemowy odpowiednik.

Węglik krzemu może pochwalić się doskonałą przewodnością cieplną ze względu na swoją unikalną strukturę atomową: podczas gdy krzem luzem ma wiązania tetragonalne sp3, jednowarstwowe warstwy SiC mają płaskie wiązania sp2, a zatem mają mniejsze odległości między warstwami niż krzem luzem, co ułatwia migrację elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Duża przerwa pasmowa węglika krzemu oraz tolerancja na temperaturę i napięcie sprawiają, że jest to doskonały materiał na półprzewodnikowe urządzenia mocy.

Przewodność cieplna SiC również wzrasta wraz z liczbą warstw ze względu na przejście z bezpośredniej przerwy pasmowej do struktury pośredniej przerwy pasmowej, podobnie jak w przypadku MoS2 i innych TMD; jednak do niedawna zgłaszano tylko jednowarstwowe 3C-SiC o wysokiej przewodności cieplnej na poziomie teoretycznym.

Naukowcy z Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering przeszli do historii, z powodzeniem tworząc wolnostojące kryształy 3C-SiC i cienkie warstwy SiC na podłożach Si o wysokiej przewodności cieplnej na poziomie teoretycznym. Wykorzystując różne techniki analizy na poziomie atomowym, zidentyfikowali ukryte powiązania między czynnikami wpływającymi na przewodność cieplną LPS-SiC.

4. Stabilność w wysokich temperaturach

Węglik krzemu (SiC) jest wyjątkowo trwałym materiałem w warunkach otoczenia. Jako półprzewodnik ogniotrwały składa się z tetraedrów Si4C ułożonych w sześcienne, sześciokątne lub romboedryczne struktury krystaliczne w zależności od sekwencji układania. SiC jest jednym z najbardziej stabilnych termodynamicznie znanych materiałów krystalicznych, który ulega znacznemu odkształceniu tylko pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem ze względu na atomy węgla utrzymujące swoje orbitale sprzężone p i utrzymujące strukturę wiązania sp2 w swoich strukturach krystalicznych.

SiC jest nadal jednym z trudniejszych materiałów do syntezy i przeprowadzono wiele badań nad jego właściwościami mechanicznymi w różnych warunkach. Układ atomów determinuje wytrzymałość; jednowarstwowy SiC jest jego najsilniejszą formą. Niestety jego kruchość sprawia, że jest to jeden z trudniejszych do eksfoliacji materiałów dwuwymiarowych.

SiC 2D może pochwalić się niezwykłymi nieliniowymi właściwościami optycznymi ze względu na swoją unikalną strukturę atomową. Badania wykazały solidne widmo generowania drugiej harmonicznej - niezbędne w nanoskalowych nieliniowych urządzeniach do konwersji częstotliwości - prawdopodobnie spowodowane ekscytonicznymi interakcjami między atomami krzemu i węgla w jego cząsteczkach.

SiC 2D wyróżnia się jako atrakcyjny materiał do zastosowań optoelektronicznych, takich jak diody LED i lasery, ze względu na swoje unikalne właściwości. Posiada on przestrajalną przerwę pasmową, którą można kontrolować poprzez zmianę składu stosu Si/C i odkształcenia mechanicznego, umożliwiając producentom produkcję urządzeń emitujących światło obejmujących pełne spektrum widzialne. Co więcej, jego niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, twardość i sztywność sprawiają, że jest to również odpowiedni materiał na zwierciadła teleskopów astronomicznych.

5. Doskonała przewodność elektryczna

Podłoża z węglika krzemu mogą wytrzymać pola elektryczne dziesięciokrotnie wyższe niż krzem i charakteryzują się niższą rezystancją - co oznacza, że możliwe jest zastosowanie mniejszych obwodów sterujących w aplikacjach o dużej mocy, zapewniając konwertery mocy o mniejszych stratach energii i wyższej wydajności. Sprawia to, że przełącznik jest opłacalny dla każdej aplikacji o dużej mocy!

Węglik krzemu oferuje doskonałą przewodność elektryczną ze względu na szerszą przerwę pasmową niż ta występująca w krzemie, dając elektronom więcej energii na przejście z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia, co skutkuje niższą rezystancją elektryczną i szybszymi prędkościami przełączania.

Niższa tolerancja temperaturowa węglika krzemu w porównaniu do wielu innych materiałów półprzewodnikowych jest również kolejną zaletą, która pomaga zwiększyć wydajność, a jego szybki czas regeneracji wstecznej sprawia, że jest on szczególnie odpowiedni do zastosowań wymagających szybkiego czasu reakcji.

Węglik krzemu oferuje imponujące spektrum nieliniowych właściwości optycznych, które mogą pomóc w ulepszeniu urządzeń do konwersji częstotliwości. Ich dokładna charakterystyka zależy od takich czynników, jak stosunek atomowy między Si i C w każdej warstwie, a także struktura i rozkład defektów w materiale.

Węglik krzemu ma wiele cech wspólnych z innymi materiałami dwuwymiarowymi, takimi jak grafen i h-BN; jednak jednowarstwowy węglik krzemu wyróżnia się pewnymi unikalnymi właściwościami, których nie można znaleźć gdzie indziej. W szczególności charakteryzuje się stabilną strukturą planarną jako materiał z bezpośrednią przerwą pasmową, a jednocześnie ma lepszą ruchliwość elektronów niż h-BN lub czarny fosfor, co czyni go atrakcyjnym kandydatem do przyszłych zastosowań elektronicznych.

pl_PLPolish
Przewiń do góry