O que São Semicondutores de Carboneto de Silício
O carboneto de silício é um semicondutor composto usado em muitos dispositivos semicondutores, onde fornece tensões de ruptura mais altas e várias outras vantagens.
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Nosso tutorial sobre semicondutores Inclui:
O que é um semicondutor | Buracos e elétrons | Materiais semicondutores | Semicondutores compostos | Carboneto de silício, SiC | Nitreto de gálio, GaN
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Carboneto de silício, SiC é usado para dispositivos semicondutores onde este semicondutor composto permite que ele forneça algumas vantagens úteis para vários tipos de projetos de circuitos eletrônicos.
O carboneto de silício é provavelmente mais conhecido como carborundum, que é um material particularmente duro. No entanto, também pode ser usado como um material semicondutor.
O carbeto de silício é um semicondutor composto e, embora tenha o silício como um de seus principais constituintes, ele possui algumas propriedades muito diferentes do silício por conta própria.
Isso permite que ele seja usado em dispositivos semicondutores que possuem algumas propriedades únicas que podem ser usadas em vários projetos de circuitos eletrônicos onde outros dispositivos semicondutores não seriam usados.
Carboneto de silício, propriedades de SiC
O carboneto de silício possui várias propriedades que o tornam a escolha ideal para uso em semicondutores. Embora o material seja extremamente duro, ainda pode ser processado quimicamente para uso em dispositivos semicondutores ou componentes eletrônicos.
| PRINCIPAIS PROPRIEDADES FÍSICAS DO CARBONETO DE SILÍCIO | ||
|---|---|---|
| PROPRIEDADES | UNIDADES | CARBONETO DE SILÍCIO |
| Densidade | g/cm 3 | 3.15 – 3.20 |
| Dureza | MPa | 2300 – 2900 |
| Tenacidade à Fratura | MPa.m 1/2 | 14 – 120 |
| Coeficiente de Expansão Térmica | 10 -6 /°K | 7.9 – 11 |
Devido às suas propriedades físicas e, em particular, à sua dureza, o carboneto de silício é frequentemente utilizado em brocas muito duras e em várias outras situações abrasivas. Suas propriedades nesta área são conhecidas há muitos anos.
Aplicações para carboneto de silício, dispositivos SiC
A dureza do carboneto de silício confere a ele muitos usos nas áreas de corte e furação. No entanto, tem algumas vantagens significativas para uso em componentes eletrônicos e, mais especificamente, em dispositivos semicondutores.
As duas áreas principais onde o carboneto de silício pode ser usado como semicondutor:
- Carbeto de silício, diodos SiC Schottky: Os diodos SiC Schottky são usados em muitos circuitos de potência, onde fornecem maior desempenho de comutação, eficiência, densidade de energia e custos de sistema mais baixos quando comparados aos diodos de silício. Esses diodos fornecem recuperação reversa zero, queda de tensão direta baixa, estabilidade de corrente, capacidade de alta tensão de pico e coeficiente de temperatura positivo.
- MOSFETs SiC: A outra área principal onde o carboneto de silício é usado é para MOSFETs. Os MOSFETs de carboneto de silício chegaram ao mercado depois dos diodos sSiC como resultado de dificuldades no processo de fabricação, mas agora estão disponíveis e podem usar o desempenho aprimorado permitido pelo carboneto de silício em muitas áreas. Eles tendem a ser usados em projetos de circuitos eletrônicos para comutação de energia. Aqui eles são capazes de superar os MOSFETs de potência de silício e também os IGBTs, que provavelmente são os principais concorrentes.
Esses são os principais usos do carboneto de silício em dispositivos semicondutores ou componentes eletrônicos. No entanto, como o material se presta à tecnologia de semicondutores de várias maneiras, é provável que outros dispositivos possam usar a tecnologia nos próximos anos.
Noções básicas de semicondutores de carboneto de silício
O carboneto de silício é o que é chamado de semicondutor composto, pois o material possui dois elementos. Excepcionalmente para semicondutores compostos, ambos os elementos estão dentro do mesmo grupo, grupo IV, da tabela periódica de elementos.
As principais propriedades elétricas de destaque do carboneto de silício que são importantes para seu uso em dispositivos semicondutores estão resumidas na tabela.
| PRINCIPAIS PROPRIEDADES ELÉTRICAS DO CARBONETO DE SILÍCIO USADO EM DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES | ||
|---|---|---|
| PROPRIEDADE | SI | SIC |
| Gap de Energia: E G (eV) | 1.12 | 3.26 |
| Mobilidade eletrônica: µ n (cm 2 /V S ) | 1400 | 900 |
| Mobilidade do furo: µ p (cm 2 ) | 600 | 100 |
| Campo de divisão: E B (V/cm)X10 6 | 0,3 | 3 |
| Condutividade Térmica (W m -1 °K -1 ) | 1,5 | 320 – 350 |
| Velocidade de desvio de saturação: v s (cm/s)X10 7 | 1 | 2.7 |
| Constante dielétrica relativa: e S | 11.8 | 9.7 |
Uma das principais características do carboneto de silício, SiC como semicondutor, é que ele apresenta uma força de campo elétrico de ruptura que é cerca de dez vezes maior que a do silício por conta própria.
Esse nível de quebra significativamente mais alto possibilita a fabricação de dispositivos que podem operar em tensões muito altas – alguns estão na região acima de 600 volts e isso pode se estender até alguns milhares de volts. Uma figura que não seria possível para dispositivos de silício.
Isso é obtido por meio de uma camada de desvio mais fina no dispositivo e com uma maior concentração de impurezas.
Como a maior parte da resistência nos dispositivos de alta tensão surge na camada de desvio, o uso de carboneto de silício, SiC torna possível alcançar tensões muito mais altas, ao mesmo tempo em que atinge níveis de resistência “ON” extremamente baixos para uma determinada área de unidade.
Teoricamente, a resistência da camada de deriva por área pode ser reduzida por um fator de cerca de 300 quando comparada ao silício na mesma tensão suportável. Isso proporciona uma melhoria significativa no desempenho dos dispositivos SiC MOSFETs.
Fabricação de carboneto de silício
O carboneto de silício é formado quando o silício e o carbono reagem juntos.
Um dos processos mais simples para isso é conhecido como Processo Acheson. Este utiliza um forno de resistência elétrica de grafite que é mantido a uma temperatura entre 1.600°C e 2.500°C.
Para produzir cristais de carboneto de silício a granel para a fabricação de semicondutores, um processo chamado método Lely é freqüentemente usado. Neste processo, o pó de carboneto de silício é carregado em um cadinho de grafite, que é purgado com gás argônio e aquecido a aproximadamente 2.500°C. Em seguida, o carboneto de silício perto das paredes externas do cadinho sublima e é depositado em uma haste de grafite perto do centro do cadinho, que está a uma temperatura mais baixa.
O carboneto de silício existe em cerca de 250 formas cristalinas, mas a forma mais usada por ser mais adequada é conhecida como forma 4H que possui uma estrutura hexagonal.
As várias formas diferentes de carboneto de silício têm características diferentes – condutividade térmica, banda proibida e semelhantes.
Dopagem de carboneto de silício
Para que o carboneto de silício atue como um semicondutor, é necessária a adição de uma pequena quantidade de impurezas ou dopantes. Em sua forma pura, o carboneto de silício, como outros semicondutores, age como um isolante porque não há elétrons livres disponíveis.
Diferentes elementos são adicionados para tornar o cristal de SiC tipo P ou tipo N.
- Carboneto de silício tipo P: O carboneto de silício tipo P pode ser criado adicionando alumínio, boro ou gálio.
- Carboneto de silício tipo N: O carboneto de silício tipo N pode ser criado adicionando nitrogênio ou fósforo. O carboneto de silício do tipo N é o mais amplamente utilizado porque usa elétrons como portador majoritário e, portanto, opera de maneira muito mais rápida, pois os furos têm uma mobilidade muito menor.
Uma das vantagens do carboneto de silício no processo de fabricação é que é possível controlar as regiões do tipo P e do tipo N dentro de um dispositivo em amplas faixas. Isso provou ser outra vantagem do uso de carboneto de silício sobre o silício para dispositivos de energia.
O carboneto de silício é um material semicondutor que está sendo usado cada vez mais em diversas áreas. Componentes eletrônicos de carboneto de silício são particularmente úteis onde altas tensões precisam ser comutadas, retificadas, etc. Ambos os diodos SiC Schottky e SiC MOSFETs estão disponíveis e são cada vez mais usados em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos de potência.
Comparação entre dispositivos semicondutores de silício e de carboneto de silício
Os dispositivos semicondutores são amplamente utilizados na indústria eletrônica para controlar e amplificar sinais elétricos. Dois dos materiais mais comuns usados para fabricar esses dispositivos são o silício e o carboneto de silício.
O silício é o material mais utilizado em dispositivos semicondutores, sendo conhecido por sua confiabilidade, facilidade de processamento e baixo custo de produção. O silício é amplamente utilizado na fabricação de transistores, diodos e células solares, entre outros dispositivos. É altamente abundante e apresenta uma boa relação desempenho/custo em muitas aplicações eletrônicas.
Por outro lado, o carboneto de silício tem atraído crescente atenção nos últimos anos como alternativa ao silício em dispositivos eletrônicos de potência de alta frequência e alta temperatura. O carboneto de silício tem propriedades únicas, como alta condutividade térmica e alta resistência mecânica, que o tornam atraente em aplicações de alta potência e temperatura. O material também possui maior resistência elétrica do que o silício, permitindo que os dispositivos fabricados com ele operem a temperaturas mais elevadas.
Além disso, os dispositivos de carboneto de silício podem ter uma eficiência energética maior em aplicações de alta potência, em comparação com os dispositivos de silício. Isso se deve em parte à capacidade do carboneto de silício de suportar tensões mais altas sem se quebrar.
No entanto, os dispositivos de carboneto de silício também têm algumas desvantagens em relação aos de silício. O material é mais caro e mais difícil de processar do que o silício. O carboneto de silício também é mais sensível a variações em sua composição, o que pode afetar a uniformidade e a confiabilidade dos dispositivos fabricados com ele.
Em resumo, tanto o silício quanto o carboneto de silício têm suas vantagens e desvantagens, e a escolha do material adequado para uma aplicação específica depende de diversos fatores, como desempenho desejado, custo, temperatura de operação e outros requisitos. É importante avaliar cuidadosamente as propriedades e características de cada material para determinar qual é o mais adequado para uma determinada aplicação.
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