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Carburo de silicio: del material abrasivo al semiconductor de próxima generación

Cuando hablamos de carburo de silicio, lo primero que nos viene a la mente es la conocida muela abrasiva de carborundo, del tipo que se utiliza a menudo para afilar cuchillos de cocina. Gracias a su excelente resistencia al desgaste, alta dureza y excelente estabilidad a altas temperaturas, el carburo de silicio se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo en abrasivos, herramientas abrasivas, materiales refractarios y cerámicas funcionales.

En nuestro artículo anterior, analizamos la historia de los cristales de carburo de silicio como "piedras preciosas del amor". En este artículo, nos centraremos en el carburo de silicio como material semiconductor.

¿Qué es un semiconductor?

Los semiconductores son componentes esenciales en casi todos los circuitos electrónicos que encontramos. Un semiconductor es un tipo especial de material cuya conductividad eléctrica se encuentra entre la de un conductor, como un metal, y la de un aislante, como la cerámica o el plástico. La conductividad de un semiconductor también puede cambiar dependiendo de su temperatura de funcionamiento o de las impurezas introducidas durante el proceso de fabricación.

Clasificación de materiales por conductividad eléctrica.

Sin embargo, en sentido estricto, la conductividad eléctrica está determinada por la estructura de bandas de energía del material. Por lo tanto, una definición más precisa de un semiconductor debería basarse en su estructura de bandas.

Como se muestra en el diagrama siguiente, los conductores, semiconductores y aislantes tienen diferentes estructuras de bandas de energía. En los conductores, la banda de conducción y la banda de valencia se superponen o la diferencia de energía entre ellas es muy pequeña. Como resultado, sólo se necesita una pequeña cantidad de energía, como un campo eléctrico externo, para excitar los electrones hacia la banda de conducción y generar un flujo de corriente direccional.

En los semiconductores, existe una banda prohibida, también conocida como banda prohibida, entre la banda de conducción y la banda de valencia. Los electrones sólo pueden excitarse hacia la banda de conducción cuando absorben energía mayor que la banda prohibida. En general, las bandas prohibidas de los semiconductores oscilan entre aproximadamente 0 y 6,5 eV.

En los aisladores, la banda prohibida es mucho mayor, normalmente del orden de más de 10 eV, lo que hace muy difícil que los electrones sean excitados en la banda de conducción. Como resultado, la conducción eléctrica no se produce fácilmente.

Por lo tanto, la conductividad eléctrica única de los semiconductores (entre conductores y aislantes) está determinada fundamentalmente por su estructura de bandas de energía.

Diagrama de estructura de bandas de energía.

Del silicio al carburo de silicio

Los semiconductores se pueden fabricar a partir de elementos puros, siendo el silicio y el germanio los ejemplos más comunes. También pueden fabricarse a partir de materiales compuestos como carburo de silicio (SiC) y arseniuro de galio (GaAs).

Los primeros dispositivos semiconductores se fabricaban principalmente con germanio. Posteriormente, el silicio se convirtió en el material semiconductor más utilizado. Sin embargo, a medida que la tecnología de dispositivos basados ​​en silicio ha seguido desarrollándose, el rendimiento de los dispositivos se ha acercado gradualmente a los límites físicos del propio silicio.

Esto ha creado nuevas oportunidades para los materiales semiconductores avanzados. Entre ellos, el carburo de silicio, o SiC, se ha convertido en uno de los competidores más prometedores del silicio tradicional.

Echemos un vistazo más de cerca a las ventajas del SiC en comparación con el Si.

La estructura única del SiC le otorga un rendimiento superior

El carburo de silicio es un material semiconductor compuesto compuesto por átomos de carbono y silicio en una proporción estequiométrica de 1:1. La unidad estructural básica de un cristal de SiC es una estructura tetraédrica, como SiC₄ o CSi₄. En esta estructura, un átomo está ubicado en el centro de un tetraedro formado por cuatro átomos circundantes.

Estructura atómica del SiC

La estructura de un material determina sus propiedades y sus propiedades determinan sus aplicaciones. Es precisamente la estructura atómica única del SiC la que le confiere un excelente rendimiento físico y químico.

Veamos varias propiedades clave del SiC, incluida la resistencia a la rotura, la banda prohibida y la conductividad térmica.

1. Alta resistencia a la rotura crítica

El SiC tiene una resistencia crítica a la rotura muy alta. Esto significa que los dispositivos de SiC pueden soportar voltajes más altos manteniendo el mismo tamaño de paquete. También permite reducir los requisitos de aislamiento en el embalaje manteniendo la misma tensión nominal.

Como resultado, el SiC se puede utilizar para fabricar componentes con voltajes de bloqueo que pueden ser un orden de magnitud superiores a los que se pueden lograr con el silicio.

2. Brecha de banda ancha

Una de las características más importantes de un semiconductor es su brecha de energía o banda prohibida. La banda prohibida se mide en electronvoltios, o eV, donde 1 eV es aproximadamente igual a 1,602 × 10⁻¹⁹ julios.

La banda prohibida del SiC es de aproximadamente 3,26 eV, mientras que la del Si es de aproximadamente 1,12 eV. En comparación con los materiales semiconductores tradicionales como el Si y el GaAs, los semiconductores de banda prohibida ancha de tercera generación representados por el SiC permiten que los dispositivos electrónicos (especialmente los dispositivos electrónicos de potencia) funcionen a voltajes, temperaturas y frecuencias más altos.

Esto hace que los dispositivos basados ​​en SiC sean más rápidos, más pequeños y más confiables.

3. Alta conductividad térmica

La conductividad térmica es otra propiedad importante de los materiales semiconductores. Cuanto mayor sea la conductividad térmica, más eficazmente podrá el material disipar el calor generado durante el funcionamiento.

Esto permite que los componentes fabricados con semiconductores de alta conductividad térmica sean más pequeños y ayuda a mejorar la gestión térmica del sistema en general.

La conductividad térmica del SiC es de aproximadamente 430 W/m·K, mientras que la del Si es de aproximadamente 150 W/m·K. Esto le da al SiC una clara ventaja en aplicaciones de alta potencia y alta temperatura.

Carburo de silicio como material semiconductor

Ya hemos analizado muchas aplicaciones tradicionales del SiC, incluidos materiales refractarios, abrasivos y cerámicas funcionales. Sin embargo, el potencial más interesante del SiC reside en su rendimiento como material semiconductor de potencia utilizado en dispositivos como MOSFET y diodos de barrera Schottky.

Gracias a su alta resistencia a la rotura, amplia banda prohibida y excelente conductividad térmica, el SiC puede superar a los materiales semiconductores tradicionales como Si, Ge y GaAs en muchas aplicaciones exigentes.

A medida que las tecnologías de fabricación siguen madurando, el carburo de silicio se está convirtiendo en una estrella en ascenso en el campo de los materiales semiconductores.