宽带隙半导体 - 陶瓷 atijolart

带隙测量电子和空穴从各自价带移动到导带或传导带所需的能量。氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）等带隙较宽的半导体的带隙明显大于标准硅，因此这些材料适用于高电压/高频率应用。.

1.宽带隙

碳化硅结合了半导体和绝缘体的最佳特性，是各种电子设备的通用构件。碳化硅的标志性特征之一是它的宽带隙，与硅等传统半导体材料相比，它能承受更高的电压和温度。宽带隙半导体可能会在未来几年极大地改变电子和电源行业。.

半导体的带隙是指其价带和导带之间的能量差。随着其能量差的增加，电子可以更容易地在这些带之间移动，从而更容易导电。硅等传统半导体的带隙在 1 至 1.5 eV 之间，而氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽带隙半导体的带隙则在 2.3 至 3.3 eV 之间。.

宽带隙半导体与硅半导体相比具有多项优势，包括能够承受更高的工作温度和击穿电压，因此适合用于电源中，在提高效率和减少效率损失的同时减少能量损失。此外，宽带隙半导体还具有较高的热传导性，可使器件产生的热量更快地散发出去。.

宽带隙半导体具有出色的光电特性，并且易于调整，因此适合用于发光二极管（LED），这种二极管可产生宽光谱的可见波长，每瓦可产生更多的光，减少能源消耗和对环境的影响。.

碳化硅的宽带隙为电子穿过其半导体结构提供了充足的能量，使其能够在比使用砷化镓或标准硅等其他半导体材料制造的器件更高的温度、电压和频率下工作。此外，它的击穿电场强度高，器件尺寸更小，开关速度更快。.

碳化硅之所以能在同类产品中脱颖而出，不仅是因为它具有很强的带隙和击穿强度，还因为它具有很高的饱和电子速度峰值，可以在降低器件漏电流的同时提高电子器件的效率。.

与其他半导体材料相比，碳化硅具有明显的电阻优势，可将设备组装在较小的基板上，从而节省空间和重量。此外，碳化硅出色的导热性能使其半导体迅速散热，这一特性使其特别适用于大功率应用。.

碳化硅的击穿场强是由于它的带隙更宽，需要更大的电场才能通过撞击产生载流子，从而导致更高的饱和电子速度，因此饱和电子速度更大；因此，碳化硅的耐压比标准硅高约五倍。.

二维碳化硅（通常称为 SixCy）具有许多可调特性，包括直接带隙和光吸收特性。要调整其带结构，只需根据碳化硅成分、机械应变和材料成分中存在的缺陷改变其成分即可。.

碳化硅具有优异的热性能和电气性能，是高温材料中的佼佼者，也是极佳的材料选择。碳化硅的工作温度在 1700 摄氏度至 1800 摄氏度之间，具有出色的耐辐射和耐化学腐蚀性能，同时还具有高功率密度和开关速率，可在一个封装内支持多个电路元件。.

硅被广泛认为是电子应用中最重要的半导体材料，但它的局限性也开始显现，尤其是在大功率应用中。由于硅的带隙较低，仅为 1.2eV，因此与其他材料相比，硅的导电需要更多的能量；另一方面，碳化硅的带隙大得多，达到 3.26eV，使其能够处理的电场几乎是硅的十倍。.

碳化硅因其独特的原子结构而具有出色的导热性：硅块具有四方 sp3 键，而单层碳化硅层具有平面 sp2 键，因此层间距离比硅块短，电子更容易从价带迁移到导带。.

碳化硅的带隙大、温度和电压耐受性强，使其成为功率半导体器件的绝佳材料。.

与 MoS2 和其他 TMD 类似，由于从直接带隙结构过渡到间接带隙结构，SiC 的热导率也会随着层数的增加而增加；然而，直到最近，只有单层 3C-SiC 被报道具有理论水平的高热导率。.

大阪都立大学大学院工学研究科的研究人员创造了历史，他们成功地在硅基板上制造出了具有高热导率的独立 3C-SiC 晶体和 SiC 薄膜，达到了理论水平。他们利用各种原子级分析技术，找出了影响 LPS-SiC 热导率的各种因素之间的隐性联系。.

碳化硅（SiC）是一种在环境条件下非常耐用的材料。碳化硅是一种难熔半导体，由 Si4C 四面体堆叠成立方、六方或斜方晶体结构，具体取决于堆叠顺序。碳化硅是已知热力学最稳定的晶体材料之一，只有在极度高压下才会发生明显变形，这是因为碳原子在晶体结构中保持了 p 共轭轨道和 sp2 键结构。.

碳化硅仍然是较难合成的材料之一，人们对其在不同条件下的机械性能进行了大量研究。原子堆叠决定了强度；单层碳化硅是其强度最高的形式。遗憾的是，它的脆性使其成为较难剥离的二维材料之一。.

二维碳化硅因其独特的原子结构而具有非凡的非线性光学特性。研究表明，其分子中的硅原子和碳原子之间的激子相互作用可能会产生强大的二次谐波生成谱，这对纳米级非线性频率转换设备至关重要。.

二维碳化硅因其独特的性能而成为 LED 和激光器等光电应用领域极具吸引力的材料。它具有可调带隙，可通过改变 Si/C 叠层的成分和机械应变进行控制，使制造商能够生产覆盖整个可见光谱的发光器件。此外，它的低热膨胀系数、硬度和刚度也使其成为天文望远镜反射镜的合适材料。.

碳化硅基板可承受比硅高十倍的电场，并且电阻更低，这意味着大功率应用可以采用更小的控制电路，从而使功率转换器的能量损耗更少、效率更高。因此，这种开关值得任何大功率应用使用！

碳化硅具有很强的导电性，因为它的带隙比硅的带隙更宽，使电子有更多的能量从价带过渡到导带，从而降低了电阻，加快了开关速度。.

与许多其他半导体材料相比，碳化硅的耐温性较低，这也是它有助于提高性能的另一个优势，而且它的反向恢复时间快，特别适合需要快速响应时间的应用。.

碳化硅具有令人印象深刻的非线性光学特性，有助于改进频率转换设备。其精确特性取决于各种因素，如每层中 Si 和 C 之间的原子比，以及材料内部的结构和缺陷分布。.

碳化硅与其他二维材料（如石墨烯和 h-BN）具有许多共同特征；然而，单层碳化硅却具有其他材料所不具备的一些独特性质。值得注意的是，作为一种直接带隙材料，碳化硅具有稳定的平面结构，同时电子迁移率优于氢化硼或黑磷，这使其成为未来电子应用的理想候选材料。.