Yarı iletkenler elektronik cihazlarımızın tüm dünyaya bağlanmasını sağlar. Silisyum (Si) uzun süredir yarı iletkenler için birincil malzeme olmuştur, ancak yeni bir alternatif silisyum karbürdür (SiC).
Yarı iletken malzemeler, bir yalıtkan ile bir iletken arasındaki elektriksel iletkenlik gibi her ikisinin de özelliklerine sahip benzersiz özelliklere sahiptir; ve yüksek sıcaklıklarda düşük direnç, onları bilgisayar çiplerinde kullanıma uygun hale getirir.
Yarı iletkenlerin özellikleri, moleküler yapılarına safsızlıklar (doping) eklenerek özelleştirilebilir. Bu, elektronların silikon ve silisyum karbür boyunca akış yolunu değiştirir ve çeşitli elektronik uygulamalar için özelleştirmeye olanak tanır.
SiC cihazları, çok aranan-yarı iletken özellikleri bakımından Si cihazlarını çok geride bırakıyor ve bu da onları daha fazla verimlilik ve performans arayışında önemli bir oyuncu haline getiriyor.
Silisyum Karbür Özellikleri Nelerdir?
Silisyum karbür (SiC), atomik yapısından dolayı saf silisyumdan farklı özelliklere sahiptir. Silikon kristal yapısı, dört komşu silikon atomuna bağlı temel bir kafes oluşturmasına olanak tanır. Bununla birlikte silikon, karbonla birleşerek dört karbon atomunun bir silikon atomu ile serpiştirildiği sıkı bir şekilde paketlenmiş bir tetrahedron oluşturur, bu da güç yoğunluğunu, verimliliği ve güvenilirliği en üst düzeye çıkaran kristalin bir yapıyla sonuçlanır.
Isı İletkenliği
Isı iletkenliği, ısının bir malzemeden ne kadar kolay aktarılabileceğinin bir ölçüsüdür. Bu, yarı iletkenlerin önemli bir özelliğidir, çünkü bir malzemenin ısıyı ne ölçüde verimli bir şekilde dağıtabildiğini (artan akımın bir sonucu olarak artan güç nedeniyle ısı birikmesi), dolayısıyla voltaj ve akım yeteneklerini artırabildiğini gösterir.
Silisyumun 130 W/(m⋅K) termal iletkenliği, silisyum karbürün 490 W/(m⋅K) değerinden önemli ölçüde daha düşüktür, bu da silisyum karbür yarı iletkenlerin ısıyı daha verimli bir şekilde dağıtmasına ve daha yüksek çalışma voltajlarına dayanmasına olanak tanır.
Termal Genleşme
Termal genleşme, sıcaklıktaki bir değişiklik nedeniyle (örneğin sıvıdan gaza geçiş gibi) bir malzemenin şeklini veya boyutunu - değiştirmesi ancak fazı - değiştirmemesidir. Yaygın bir örnek, sıkışmış bir şişe kapağını açmak üzere genişletmek için sıcak su uygulamaktır.
Silisyum karbür çok düşük bir termal genleşme katsayısına sahiptir; bu, silikonun yapamayacağı yüksek sıcaklıklarda (ve yüksek voltajlarda) şeklini, gücünü ve özelliklerini daha iyi koruyabileceği anlamına gelir.
Elektrik Alan Gücü
Diğer iki kritik ve ilgili yarı iletken özellik, malzemenin bant aralığı ve maksimum elektrik alan kuvvetidir.
Yarı iletken malzemelerin moleküllerinde elektronlar farklı enerji bantları arasında hareket eder: bantlar arasında enerji durumları olmadığından işgal etmeleri gereken bölgeler. Bant aralığı (veya enerji aralığı), elektronların değerlik bandından iletim bandına atlaması ve böylece elektriksel iletkenliğe izin vermesi için gereken enerji miktarıdır. Yarı iletkenler elektrik enerjisi alıp bu iletken duruma girdiğinde benzersiz yalıtkan/iletken hibrit özellikler sergilerler.
Silisyum karbür yarı iletkenler, silikon-bazlı yarı iletkenlere göre üç kat daha yüksek bir enerji aralığına sahiptir; bu da onların silikondan daha yüksek elektrik alan kuvvetlerine dayanmasına ve dolayısıyla daha yüksek voltaj ve sıcaklıklarda çalışmasına olanak tanır.
Silisyum Karbür Yarı İletken Avantajları
Yukarıda bahsedildiği gibi silisyum karbür yarı iletkenler daha büyük bir enerji aralığına sahiptir, bu da onların silisyum- bazlı yarı iletkenlere kıyasla ısıya daha iyi dayanmalarına ve ısıyı dağıtmalarına olanak tanır. Ayrıca başka avantajlar da sunuyorlar:
Silisyum karbürün yüksek enerji aralığı, yüksek-güç uygulamalarında kullanışlıdır çünkü daha yüksek enerji aralığı, daha küçük yarı iletken cihazlara ve daha yüksek çalışma performansına olanak tanır.
Yaygın bir yarı iletken cihaz olan bir diyot için arıza voltajı, ters uygulanan akımın diyottan akabileceği voltajdır. Silisyum karbürün yüksek kırılma voltajı onu MOSFET'ler için ideal kılar.
Bu, MOSFET'lerde bir başka önemli yarı iletken özelliğe yol açar: ters iyileşme süresi. Eğer bir MOSFET ters polarmaya girerse normal durumuna dönmesi için geçen süreye ters toparlanma süresi denir. Bu süre zarfında akım ters yönde akabilir ve sistem enerji kaybı yaşar. Bu durumlarda, SiC cihazları son derece hızlı geri kazanım sürelerine ve ihmal edilebilir enerji kaybına sahipken Si cihazları böyle bir duruma sahip değildir.
Silisyum karbür, katkılama (safsızlık ekleme) konusunda silikondan daha fazla esnekliğe sahiptir. SiC yarı iletkenlerine daha fazla uygulama olanağı sağlayan, belirli bir ışık yoğunluğunun (kızılötesi, görünür veya ultraviyole) deneyimlenmesi gibi yalnızca belirli koşullar altında elektriği iletecek şekilde uyarlanabilir.
