מוליכים למחצה מאפשרים למכשירים האלקטרוניים שלנו לחבר את העולם כולו. סיליקון (Si) כבר זמן רב החומר העיקרי עבור מוליכים למחצה, אך חלופה חדשה היא סיליקון קרביד (SiC).
לחומרים מוליכים למחצה תכונות ייחודיות, כמו מוליכות חשמלית בין זו של מבודד ומוליך, עם תכונות של שניהם; והתנגדות נמוכה בטמפרטורות גבוהות, מה שהופך אותם מתאימים לשימוש בשבבי מחשב.
ניתן להתאים את המאפיינים של מוליכים למחצה על ידי הוספת זיהומים (סימום) למבנה המולקולרי שלהם. זה משנה את נתיב הזרימה של אלקטרונים דרך סיליקון וסיליקון קרביד ומאפשר התאמה אישית למגוון יישומים אלקטרוניים.
מכשירי SiC עולים בהרבה על מכשירי Si במאפיינים רבים של מוליכים למחצה-מבוקשים מאוד, מה שהופך אותם לשחקן מפתח בחיפוש אחר יעילות וביצועים גבוהים יותר.
מהן מאפייני הסיליקון קרביד?
בשל המבנה האטומי שלו, לסיליקון קרביד (SiC) תכונות שונות מסיליקון טהור. מבנה גביש הסיליקון מאפשר לו ליצור סריג בסיסי המחובר לארבעה אטומי סיליקון שכנים. עם זאת, סיליקון מתחבר עם פחמן ויוצר טטרהדרון ארוז בחוזקה שבו ארבעה אטומי פחמן משובצים באטום סיליקון, וכתוצאה מכך נוצר מבנה גבישי הממקסם את צפיפות ההספק, היעילות והאמינות.
מוליכות תרמית
מוליכות תרמית היא מדד לאיזו קלות ניתן להעביר חום דרך חומר. זהו מאפיין מרכזי של מוליכים למחצה שכן הוא מציין את המידה שבה חומר מסוגל לפזר חום ביעילות (הצטברות חום עקב הספק מוגבר כתוצאה מהגדלת הזרם), ובכך להגדיל את יכולות המתח והזרם שלו.
המוליכות התרמית של סיליקון של 130 W/(m⋅K) נמוכה משמעותית מ-490 W/(m⋅K של סיליקון קרביד), מה שמאפשר למוליכים למחצה סיליקון קרביד לפזר חום בצורה יעילה יותר ולעמוד בפני מתחי פעולה גבוהים יותר.
התרחבות תרמית
התפשטות תרמית היא כאשר חומר משנה צורה או גודל - אך לא שלב - עקב שינוי בטמפרטורה, כגון מנוזל לגז. דוגמה נפוצה היא החלת מים חמים על מכסה בקבוק תקוע כדי להרחיב אותו לפתיחה.
לסיליקון קרביד יש מקדם התפשטות תרמית נמוך מאוד, מה שאומר שהוא מסוגל יותר לשמור על צורתו, חוזקו ותכונותיו בטמפרטורות גבוהות (ומתחים גבוהים), מה שאולי הסיליקון לא יוכל לעשות.
חוזק שדה חשמלי
שני מאפיינים קריטיים וקשורים נוספים של מוליכים למחצה הם פער הרצועה של החומר וחוזק שדה חשמלי מקסימלי.
במולקולות של חומרים מוליכים למחצה, אלקטרונים נעים בין פסי אנרגיה שונים: אזורים שהם חייבים לכבוש כי אין מצבי אנרגיה בין הפסים. פער הפס (או פער האנרגיה) הוא כמות האנרגיה הדרושה לאלקטרונים לקפוץ מפס הערכיות לפס ההולכה, ובכך לאפשר מוליכות חשמלית. כאשר מוליכים למחצה מקבלים אנרגיה חשמלית ונכנסים למצב מוליך זה, הם מציגים תכונות היברידיות ייחודיות של מבודד/מוליכים.
למוליכים למחצה סיליקון קרביד יש פער אנרגיה גבוה פי שלושה מזה של מוליכים למחצה מבוססי סיליקון-, מה שמאפשר להם לעמוד בעוצמות שדה חשמליות גבוהות יותר מסיליקון ובכך לפעול במתחים ובטמפרטורות גבוהות יותר.
יתרונות מוליכים למחצה סיליקון קרביד
כפי שהוזכר לעיל, למוליכים למחצה סיליקון קרביד יש פער אנרגיה גדול יותר, מה שמאפשר להם לעמוד ולפזר חום טוב יותר בהשוואה למוליכים למחצה מבוססי סיליקון-. הם מציעים גם יתרונות נוספים:
פער האנרגיה הגבוה של סיליקון קרביד שימושי ביישומי הספק- גבוהים מכיוון שפער האנרגיה הגבוה יותר מאפשר התקני מוליכים למחצה קטנים יותר וביצועי הפעלה גבוהים יותר.
עבור דיודה, התקן מוליכים למחצה נפוץ, מתח השבר הוא המתח שבו זרם מופעל הפוך יכול לזרום דרך הדיודה. מתח הפירוק הגבוה של סיליקון קרביד הופך אותו לאידיאלי עבור MOSFETs.
זה מוביל למאפיין חשוב נוסף של מוליכים למחצה ב-MOSFETs: זמן התאוששות הפוך. אם MOSFET נכנס להטיה הפוכה, הזמן שלוקח לחזור למצבו הרגיל נקרא זמן התאוששות הפוך. במהלך זמן זה, הזרם יכול לזרום בכיוון ההפוך והמערכת חווה אובדן אנרגיה. במקרים אלה, למכשירי SiC זמני התאוששות מהירים במיוחד ואובדן אנרגיה זניח, בעוד למכשירי Si אין.
לסיליקון קרביד יש יותר גמישות בסימום (הוספת זיהומים) מאשר לסיליקון. ניתן להתאים אותו כדי להוליך חשמל רק בתנאים ספציפיים, כגון חוויה של עוצמת אור ספציפית (אינפרא אדום, גלוי או אולטרה סגול), מה שנותן למוליכים למחצה SiC יישומים נוספים.
