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Cuando la gente escucha el términocarburo de silicio, oSic, lo primero que nos puede venir a la cabeza es una muela abrasiva de carburo de silicio, comúnmente conocida como carborundo. Debido a su excelente resistencia al desgaste, alta dureza y resistencia a altas temperaturas, el carburo de silicio se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo en abrasivos, herramientas abrasivas, materiales refractarios y cerámicas funcionales.

En el 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 comomaterial semiconductor.

¿Qué es un semiconductor?

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

Clasificación de materiales por conductividad eléctrica.

En sentido estricto, la conductividad eléctrica está determinada por laestructura de banda de energíade un material. Por lo tanto, la definición estándar de semiconductor debe explicarse desde la perspectiva de las bandas de energía.

Como se muestra en el diagrama de bandas de energía de conductores, semiconductores y aisladores, la banda de conducción y la banda de valencia de un conductor se superponen. La diferencia de energía entre las subestructuras de las bandas es muy pequeña, por lo que sólo se necesita una pequeña cantidad de energía, como un campo eléctrico externo, para excitar electrones hacia la banda de conducción y formar una corriente eléctrica direccional.

Por el contrario, un semiconductor tiene una banda prohibida, o banda prohibida, entre la banda de conducción y la banda de valencia. Los electrones deben recibir energía mayor que la banda prohibida para ser excitados en la banda de conducción. En general, la banda prohibida de los semiconductores oscila entre 0 y 6,5 eV. Los aisladores, sin embargo, tienen una banda prohibida muy grande, generalmente del orden de más de 10 eV, lo que hace muy difícil que los electrones sean excitados en la banda de conducción. Como resultado, los aisladores no conducen la electricidad fácilmente.

Esto demuestra que la conductividad especial de los semiconductores, que se encuentra entre conductores y aislantes, está determinada por su estructura de bandas de energía.

Diagrama de estructura de bandas de energía.

Los semiconductores se pueden fabricar a partir de elementos puros, siendo el silicio y el germanio los ejemplos más comunes. También pueden estar hechos de materiales compuestos, comocarburo de silicio (SiC)yarseniuro 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 el rendimiento de los dispositivos basados ​​en silicio ha seguido desarrollándose, se han ido acercando gradualmente a los límites físicos del propio silicio. Como resultado, nuevos materiales están surgiendo como fuertes competidores del silicio, y el carburo de silicio es uno de los más prometedores.

Veamos ahora las ventajas del SiC en comparación con el silicio.

La estructura única del SiC determina sus propiedades superiores

El SiC es un material semiconductor compuesto compuesto por átomos de carbono y átomos de 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 densa, cuatro átomos de silicio forman un tetraedro, con un átomo de carbono ubicado en el centro.

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 excelentes propiedades físicas y químicas.

A continuación se detallan varias propiedades clave del SiC, incluida la resistencia a la rotura crítica, 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 puede soportar voltajes más altos manteniendo el mismo voltaje nominal y reduciendo los requisitos de aislamiento en el paquete. También permite que los componentes alcancen voltajes de bloqueo que pueden ser un orden de magnitud superiores a los posibles con el silicio, sin aumentar significativamente el tamaño del paquete.

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2. Brecha de banda ancha

Una de las características clave de un semiconductor es subrecha energética, también conocido como elbanda 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 aproximadamente3,26 eV, mientras que el del silicio es aproximadamente1,12 eV. En comparación con los materiales semiconductores tradicionales como el silicio y el GaAs, los semiconductores de banda ancha de tercera generación representados por el SiC permiten que los productos electrónicos, especialmente los dispositivos electrónicos de potencia, funcionen a voltajes, temperaturas y frecuencias más altos. Esto hace que los dispositivos sean más rápidos, más pequeños y más confiables.

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3. Alta conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad importante de los materiales semiconductores. Cuanto mayor sea la conductividad térmica, más fácil será para el semiconductor disipar el calor generado durante el funcionamiento.

Esto permite que los componentes fabricados con materiales con buena conductividad térmica sean más pequeños y mejora la gestión térmica de todo el sistema. La conductividad térmica del SiC es aproximadamente430 W/m·K, mientras que el del silicio es aproximadamente150 W/m·K.

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Carburo de silicio como semiconductor

Ya hemos analizado muchas aplicaciones del SiC, incluidos materiales refractarios, abrasivos y cerámicas funcionales. Sin embargo, la aplicación más interesante del SiC radica en su rendimiento como material semiconductor de potencia para dispositivos comoMOSFETyDiodos de barrera Schottky (SBD).

Gracias a su alta resistencia a la rotura, amplia banda prohibida y excelente conductividad térmica, el SiC puede superar a materiales como el silicio, el germanio y el arseniuro de galio en muchas aplicaciones exigentes.

A medida que las tecnologías de fabricación siguen madurando, el carburo de silicio está surgiendo rápidamente como una nueva estrella prometedora en el campo de los materiales semiconductores.