Detalles del Blog

El carburo de silicio: de material abrasivo a semiconductor de nueva generación

Cuando hablamos de carburo de silicio, lo primero que puede venir a la mente es la familiar molinilla de carborundos, el tipo que se usa a menudo para afilar cuchillos de cocina.Gracias a su excelente resistencia al desgasteEl carburo de silicio, con su alta dureza y su destacada estabilidad a altas temperaturas, se ha utilizado durante mucho tiempo en abrasivos, herramientas de molienda, materiales refractarios y cerámicas funcionales.

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

Los semiconductores son componentes esenciales en casi todos los circuitos electrónicos que encontramos.como un metal, y un aislante, como cerámica o 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.

Sin embargo, estrictamente hablando, la conductividad eléctrica está determinada por la estructura de la banda de energía del material.una definición más precisa de semiconductor debe basarse en su estructura de banda.

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

En los semiconductores, hay una banda prohibida, también conocida como la brecha de banda, entre la banda de conducción y la banda de valencia.Los electrones sólo pueden ser excitados en la banda de conducción cuando absorben energía mayor que la brecha de la bandaEn general, los huecos de banda de semiconductores oscilan entre aproximadamente 0 y 6,5 eV.

En los aislantes, la brecha de banda es mucho mayor, típicamente del orden de más de 10 eV, lo que dificulta mucho que los electrones se exciten en la banda de conducción.La conducción eléctrica no se produce fácilmente..

Por lo tanto, la conductividad eléctrica única de los semiconductores entre conductores e aislantes está fundamentalmente determinada por su estructura de banda de energía.

Diagrama de la estructura de la banda de energía

Del silicio al carburo de silicio

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

Los primeros dispositivos semiconductores se fabricaron principalmente de germanio. Más tarde, el silicio se convirtió en el material semiconductor más utilizado.El rendimiento del dispositivo se ha acercado gradualmente a los límites físicos del propio silicio..

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

Veamos más de cerca las ventajas del SiC en comparación con el Si.

La estructura única del SiC le da un rendimiento superior

El carburo de silicio es un material semiconductor compuesto compuesto de átomos de carbono y silicio en una relación estequiométrica de 1: 1.como el SiC4 o el CSi4En esta estructura, un átomo se encuentra 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 lo que le da un excelente rendimiento físico y químico.

Veamos varias propiedades clave del SiC, incluyendo la resistencia a la descomposición, la brecha de banda y la conductividad térmica.

1. Alta resistencia a la ruptura crítica

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

Como resultado, el SiC puede usarse para fabricar componentes con voltajes de bloqueo que pueden ser un orden de magnitud más altos que los alcanzables con silicio.

Una de las características más importantes de un semiconductor es su brecha de energía, o brecha de banda.602 × 10−19 julios.

La brecha de banda de SiC es de aproximadamente 3.26 eV, mientras que la de Si es de aproximadamente 1.12 eV. En comparación con los materiales semiconductores tradicionales como Si y GaAs,Semiconductores de banda ancha de tercera generación representados por SiC permiten que los dispositivos electrónicos, especialmente los dispositivos electrónicos de alimentación, funcionen a voltajes más altos, temperaturas más altas y frecuencias más altas.

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

3Alta conductividad térmica

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

Esto permite que los componentes hechos de semiconductores de alta conductividad térmica sean más pequeños y ayudan a mejorar la gestión térmica del sistema 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 da al SiC una clara ventaja en aplicaciones de alta potencia y alta temperatura.

El carburo de silicio como material semiconductor

Ya hemos discutido muchas aplicaciones tradicionales de SiC, incluyendo materiales refractarios, abrasivos y cerámicas funcionales.El potencial más emocionante del SiC radica en su rendimiento como material semiconductor de potencia utilizado en dispositivos como MOSFETs y diodos de barrera Schottky.

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

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