تُمكِّن أشباه الموصلات أجهزتنا الإلكترونية من الاتصال بالعالم بأكمله. كان السيليكون (Si) منذ فترة طويلة المادة الأساسية لأشباه الموصلات، ولكن البديل الجديد هو كربيد السيليكون (SiC).
تتمتع المواد شبه الموصلة بخصائص فريدة، مثل التوصيل الكهربائي بين العازل والموصل، مع خصائص كليهما؛ ومقاومة منخفضة عند درجات الحرارة العالية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في رقائق الكمبيوتر.
يمكن تخصيص خصائص أشباه الموصلات عن طريق إضافة الشوائب (المنشطات) إلى بنيتها الجزيئية. يؤدي هذا إلى تغيير مسار تدفق الإلكترونات عبر السيليكون وكربيد السيليكون ويسمح بالتخصيص لمجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية.
تتفوق أجهزة SiC بشكل كبير على أجهزة Si في العديد من-خصائص أشباه الموصلات المطلوبة بشدة، مما يجعلها لاعبًا رئيسيًا في السعي لتحقيق قدر أكبر من الكفاءة والأداء.
ما هي خصائص كربيد السيليكون؟
نظرًا لبنيته الذرية، فإن كربيد السيليكون (SiC) له خصائص مختلفة عن السيليكون النقي. يسمح هيكل بلورة السيليكون لها بتكوين شبكة أساسية متصلة بأربع ذرات سيليكون مجاورة. ومع ذلك، يتحد السيليكون مع الكربون لتكوين رباعي الأسطح محكم الغلق حيث تتخلل أربع ذرات كربون مع ذرة سيليكون، مما يؤدي إلى بنية بلورية تزيد من كثافة الطاقة والكفاءة والموثوقية.
الموصلية الحرارية
الموصلية الحرارية هي مقياس لمدى سهولة نقل الحرارة عبر المادة. هذه هي السمة الرئيسية لأشباه الموصلات لأنها تشير إلى مدى قدرة المادة على تبديد الحرارة بكفاءة (تراكم الحرارة بسبب زيادة الطاقة نتيجة لزيادة التيار)، وبالتالي زيادة قدرات الجهد والتيار.
الموصلية الحرارية للسيليكون البالغة 130 واط/(م⋅ك) أقل بكثير من كربيد السيليكون 490 واط/(م⋅ك)، مما يسمح لأشباه موصلات كربيد السيليكون بتبديد الحرارة بشكل أكثر كفاءة وتحمل جهد التشغيل الأعلى.
التمدد الحراري
يحدث التمدد الحراري عندما يتغير شكل المادة أو حجمها - ولكن ليس الطور - بسبب التغير في درجة الحرارة، مثل التحول من سائل إلى غاز. من الأمثلة الشائعة وضع الماء الساخن على غطاء زجاجة عالق لتوسيعه حتى يتم فتحه.
يتمتع كربيد السيليكون بمعامل تمدد حراري منخفض جدًا، مما يعني أنه أكثر قدرة على الحفاظ على شكله وقوته وخصائصه عند درجات حرارة عالية (وفولتية عالية)، وهو ما قد لا يتمكن السيليكون من القيام به.
قوة المجال الكهربائي
هناك خواص حاسمة أخرى لأشباه الموصلات ذات الصلة وهي فجوة نطاق المادة والحد الأقصى لقوة المجال الكهربائي.
في جزيئات المواد شبه الموصلة، تتحرك الإلكترونات بين نطاقات طاقة مختلفة: مناطق يجب أن تشغلها لأنه لا توجد حالات طاقة بين النطاقات. فجوة النطاق (أو فجوة الطاقة) هي مقدار الطاقة اللازمة للإلكترونات للانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يسمح بالتوصيل الكهربائي. عندما تتلقى أشباه الموصلات الطاقة الكهربائية وتدخل في هذه الحالة الموصلة، فإنها تظهر خصائص هجينة فريدة من نوعها بين العازل والموصل.
تحتوي أشباه الموصلات من كربيد السيليكون على فجوة طاقة أعلى بثلاث مرات من تلك الموجودة في أشباه الموصلات التي تعتمد على السيليكون-، مما يسمح لها بمقاومة قوى مجال كهربائي أعلى من السيليكون وبالتالي العمل عند فولتات ودرجات حرارة أعلى.
مزايا أشباه الموصلات كربيد السيليكون
كما ذكرنا أعلاه، تحتوي أشباه الموصلات من كربيد السيليكون على فجوة طاقة أكبر، مما يسمح لها بتحمل الحرارة وتبديدها بشكل أفضل مقارنةً بأشباه الموصلات- المعتمدة على السيليكون. كما أنها توفر مزايا أخرى:
تعتبر فجوة الطاقة العالية في كربيد السيليكون مفيدة في -تطبيقات الطاقة العالية لأن فجوة الطاقة الأعلى تسمح بأجهزة أشباه الموصلات الأصغر حجمًا وأداء تشغيل أعلى.
بالنسبة للديود، وهو جهاز أشباه الموصلات الشائع، فإن جهد الانهيار هو الجهد الذي يمكن أن يتدفق عنده تيار مطبق عكسي عبر الصمام الثنائي. إن جهد الانهيار العالي لكربيد السيليكون يجعله مثاليًا للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة.
وهذا يؤدي إلى خاصية أخرى مهمة لأشباه الموصلات في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET): وقت الاسترداد العكسي. إذا ذهب MOSFET إلى الانحياز العكسي، فإن الوقت الذي يستغرقه للعودة إلى حالته الطبيعية يسمى وقت الاسترداد العكسي. خلال هذا الوقت، يمكن أن يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس ويتعرض النظام لفقدان الطاقة. في هذه الحالات، تتمتع أجهزة SiC بأوقات استرداد عكسية سريعة للغاية وفقدان طاقة لا يُذكر، في حين أن أجهزة Si لا تتمتع بذلك.
يتمتع كربيد السيليكون بمرونة أكبر في المنشطات (إضافة الشوائب) من السيليكون. يمكن تصميمه لتوصيل الكهرباء فقط في ظل ظروف محددة، مثل التعرض لكثافة معينة من الضوء (الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو فوق البنفسجية)، مما يمنح أشباه الموصلات SiC المزيد من التطبيقات.
