Attualmente sono in fase di sviluppo dispositivi e circuiti elettronici a semiconduttore a base di carburo di silicio (sic) per l'uso in condizioni di alta temperatura, alta potenza e alta radiazione in cui i semiconduttori convenzionali non può eseguire adeguatamente. capacità del carburo di silicio di funzionare in condizioni così estreme si prevede che consentirà miglioramenti significativi a una vasta gamma di applicazioni e sistemi. questi vanno dalla commutazione ad alta tensione notevolmente migliorata per il risparmio energetico nell'energia elettrica pubblica la distribuzione e il motore elettrico guidano verso un'elettronica a microonde più potente per radar e comunicazioni ai sensori e ai comandi per la combustione più pulita di aerei a reazione ed automobile a minor consumo di carburante motori. nella particolare area dei dispositivi di potenza, le valutazioni teoriche hanno indicato che sic i raddrizzatori di potenza e i diodi a diodi funzionerebbero su tensioni e campi di temperatura più elevati, hanno caratteristiche di commutazione superiori, eppure hanno dimensioni di morire quasi 20 volte più piccole di quelle corrispondenti dispositivi basati su silicio. tuttavia, questi enormi vantaggi teorici devono ancora essere ampiamente realizzato in dispositivi sic commercialmente disponibili, principalmente a causa del fatto che sic è relativamente immaturo la crescita dei cristalli e le tecnologie di fabbricazione dei dispositivi non sono ancora sufficientemente sviluppate nella misura richiesta per l'integrazione affidabile nella maggior parte dei sistemi elettronici. questo capitolo esamina brevemente la tecnologia elettronica dei semiconduttori sic. in particolare, le differenze (sia buoni che cattivi) tra la tecnologia elettronica sic e la nota tecnologia del silicio vlsi sono evidenziati. i benefici prestazionali proiettati dall'elettronica sic sono evidenziati per molti su larga scala applicazioni. Crescita dei cristalli chiave e problemi di fabbricazione dei dispositivi che attualmente limitano le prestazioni e vengono identificate capacità di elettronica sicu- ra ad alta temperatura e alta potenza.
i materiali di carburo di silicio (sic) stanno attualmente metamorfosando dalla ricerca e dallo sviluppo in un prodotto manifatturiero guidato dal mercato. i substrati sic sono attualmente utilizzati come base per una grande frazione della produzione mondiale di diodi emettitori di luce verdi, blu e ultravioletti (LED). i mercati emergenti per l'omoepitaxy sic comprendono dispositivi di commutazione ad alta potenza e dispositivi a microonde per banda s e x. applicazioni per strutture a base di gas eteroepitassiale su substrati sic includono LED e dispositivi a microonde. questi risultati entusiasmanti del dispositivo derivano principalmente dallo sfruttamento delle proprietà elettriche e termofisiche uniche offerte da sic rispetto a si e Gaas. tra questi ci sono: una grande banda proibita per il funzionamento ad alta temperatura e resistenza alle radiazioni; alto campo di rottura critica per l'uscita ad alta potenza; alta velocità di elettroni saturi per funzionamento ad alta frequenza; conducibilità termica significativamente più elevata per la gestione termica di dispositivi ad alta potenza.
il carburo di silicio si presenta in molte strutture cristalline, chiamate politipi. nonostante il fatto che tutti i politipi di sic siano costituiti chimicamente da atomi di carbonio al 50% legati in modo covalente con atomi di silicio al 50%, ciascun tipo di politene ha un proprio insieme distinto di proprietà elettriche dei semiconduttori. mentre ci sono oltre 100 politipi noti di sic, solo pochi sono comunemente coltivati in una forma riproducibile accettabile per l'uso come un semiconduttore elettronico. i più comuni politipi di sic attualmente sviluppati per l'elettronica sono 3c-sic, 4h-sic e 6h-sic. la struttura cristallina atomica dei due politipi più comuni è mostrata nella sezione trasversale schematica in figura. come discusso molto più dettagliatamente nei riferimenti 9 e 10, i diversi politipi di sic sono in realtà composti da diverse sequenze di impilamento di doppi strati di si-c (detti anche strati doppio di si-c), dove ogni singolo doppio strato di si-c è denotato dal scatole in figura. ogni atomo all'interno di un doppio strato ha tre legami chimici covalenti con altri atomi nello stesso doppio strato e un solo legame con un atomo in un doppio strato adiacente. la figura 5.1a mostra il doppio strato della sequenza di impilamento del politipo 4h-sic, che richiede quattro bistrati di si-c per definire la distanza di ripetizione della cella unitaria lungo la direzione di impilamento dell'asse c (indicata dagli indici del miller). allo stesso modo, il polytype 6h-sic ripete la sua sequenza di impilamento ogni sei doppi in tutto il cristallo lungo la direzione di impilamento. La direzione rappresentata in figura viene spesso indicata come una (insieme con) le direzioni dell'asse. sic è un semiconduttore polare attraverso l'asse c, in quanto una superficie normale all'asse c termina con atomi di silicio mentre la superficie dell'asse c normale opposta termina con atomi di carbonio. come mostrato, queste superfici sono generalmente indicate come superfici di "faccia di silicio" e "faccia di carbonio", rispettivamente. gli atomi lungo il bordo sinistro o destro della figura risiedono sul piano di superficie cristallino "a faccia" normale alla direzione. 3c-sic, indicato anche come β-sic, è l'unica forma di sic con una struttura a reticolo cristallino cubico. i politipi non casuali di sic sono talvolta definiti ambiguamente come α-sic. 4h-sic e 6h-sic sono solo due dei molti possibili politipi con struttura cristallina esagonale. allo stesso modo, 15r-sic è il più comune tra i tanti possibili politipi con una struttura cristallina romboedrica.
a causa della diversa disposizione degli atomi di si e c all'interno del reticolo cristallino sic, ogni singolo politipo esibisce proprietà elettriche e ottiche fondamentali uniche. alcuni dei più importanti semiconduttori le proprietà elettriche dei politipi 3c, 4h e 6h sic sono riportate nella tabella 5.1. molto di piu proprietà elettriche dettagliate possono essere trovate nei riferimenti 11-13 e riferimenti in esso. anche all'interno di a dato il politipo, alcune importanti proprietà elettriche sono non isotropiche, in quanto sono funzioni forti della direzione cristallografica del flusso di corrente e del campo elettrico applicato (ad esempio, la mobilità degli elettroni per 6h-sic). impurità droganti in sic possono incorporare in siti energicamente inequivalenti. mentre tutto Normalmente dovrebbero essere le energie di ionizzazione drogante associate a vari siti di incorporazione di droganti considerato per la massima accuratezza, la tabella 5.1 elenca solo le energie di ionizzazione più basse riportate da ciascuna di esse impurità.
il carburo di silicio si presenta in molte strutture cristalline, chiamate politipi. un più completo l'introduzione alla cristallografia e al politenspismo si possono trovare nel riferimento 9. nonostante ciò tutti i politipi di sic sono costituiti chimicamente da atomi di carbonio al 50% legati covalentemente con atomi di silicio al 50%, ogni tipo di politene ha un proprio insieme distinto di proprietà elettriche a semiconduttore. mentre ci sono finita 100 noti politipi di sic, solo pochi sono comunemente coltivati in una forma riproducibile accettabile per l'uso come un semiconduttore elettronico. i più comuni politipi di sic attualmente in fase di sviluppo l'elettronica è 3c-sic, 4h-sic e 6h-sic. la struttura di cristallo atomico dei due più comuni i politipi sono mostrati nella sezione trasversale schematica in figura 5.1. come discusso molto più approfonditamente in i riferimenti 9 e 10, i diversi politipi di sic sono in realtà composti da diverse sequenze di impilamento di doppio strato di si-c (chiamato anche doppio strato di si-c), dove ogni singolo doppio strato di si-c è denotato dal caselle in figura 5.1. ogni atomo all'interno di un doppio strato ha tre legami chimici covalenti con altri atomi in lo stesso (proprio) doppio strato e solo un legame con un atomo in un doppio strato adiacente. la figura 5.1a mostra il doppio strato della sequenza di impilamento del politipo 4h-sic, che richiede quattro doppi strati di si-c per definire l'unità distanza di ripetizione delle celle lungo la direzione di impilamento dell'asse c (indicata dagli indici del mulino). allo stesso modo, il polytype 6h-sic illustrato nella figura 5.1b ripete la sua sequenza di impilamento ogni sei doppi strati il cristallo lungo la direzione di impilamento. il la direzione illustrata nella figura 5.1 viene spesso indicata come una delle (insieme a ) le direzioni dell'asse. sic è un semiconduttore polare attraverso l'asse c, in quella superficie normale all'asse c è terminato con atomi di silicio mentre la superficie dell'asse c normale opposta è terminato con atomi di carbonio. come mostrato nella figura 5.1a, queste superfici sono generalmente indicate come Le superfici \"silicon face\" e \"carbon face\", rispettivamente. atomi lungo il bordo sinistro o destro di figura 5.1a risiederebbe sulla superficie cristallina \"a faccia\" piano normale alla direzione. 3c-sic, detto anche β-sic, è l'unica forma di sic con una struttura a reticolo cristallino cubico. i politipi non casuali di sic sono talvolta definiti ambiguamente come α-sic. 4h-sic e 6h-sic sono solo due dei tanti. figura 5.1 raffigurazioni schematiche in sezione trasversale di (a) struttura cristallina atomica 4h-sic e (b) 6h-sic, che mostra direzioni e superfici cristallografiche importanti. possibili politipi di ferro con struttura cristallina esagonale. allo stesso modo, 15r-sic è il più comune del molti possibili politipoli con una struttura cristallina romboedrica.
a causa della diversa disposizione degli atomi di si e c all'interno del reticolo cristallino sic, ogni singolo politipo esibisce proprietà elettriche e ottiche fondamentali uniche. alcuni dei più importanti semiconduttori le proprietà elettriche dei politipi 3c, 4h e 6h sic sono riportate nella tabella 5.1. molto di piu proprietà elettriche dettagliate possono essere trovate nei riferimenti 11-13 e riferimenti in esso. anche all'interno di a dato il politipo, alcune importanti proprietà elettriche sono non isotropiche, in quanto sono funzioni forti della direzione cristallografica del flusso di corrente e del campo elettrico applicato (ad esempio, la mobilità degli elettroni per 6h-sic). impurità droganti in sic possono incorporare in siti energicamente inequivalenti. mentre tutto Normalmente dovrebbero essere le energie di ionizzazione drogante associate a vari siti di incorporazione di droganti considerato per la massima accuratezza, la tabella 5.1 elenca solo le energie di ionizzazione più basse riportate da ciascuna di esse impurità. tabella 5.1 Confronto di importanti proprietà elettroniche dei principali semiconduttori dei principali tipi di politicamente con silicio, gaas e 2h-gan a 300 k per confronto, la tabella 5.1 include anche proprietà comparabili di silicio, gaas e gan. perché il silicio è il semiconduttore utilizzato nella maggior parte dell'elettronica allo stato solido commerciale, è lo standard contro cui devono essere valutati altri materiali semiconduttori. a vari gradi il maggiore sic i politipi presentano vantaggi e svantaggi nelle proprietà del materiale di base rispetto al silicio. il eccezionalmente sono le più vantaggiose superiorità materiali intrinseche di sic rispetto al silicio elencate nella tabella 5.1 alto campo elettrico di rottura, ampia banda proibita, alta conduttività termica e alta saturazione della portante velocità. I vantaggi delle prestazioni dei dispositivi elettrici che ciascuna di queste proprietà consente sono discussi nella prossima sezione, così come i benefici a livello di sistema abilitati dai dispositivi sic sic.
due dei vantaggi più vantaggiosi offerti dall'elettronica sic-based sono nelle aree ad alta temperatura e funzionamento del dispositivo ad alta potenza. la fisica del dispositivo specifico che consente l'alta temperatura e Verranno esaminate prima le capacità ad alta potenza, seguite da diversi esempi di rivoluzionario livello di sistema miglioramenti delle prestazioni queste capacità avanzate consentono.
l'ampia banda proibita e la bassa concentrazione intrinseca di portatore di sic permettono di mantenere comportamento del semiconduttore a temperature molto più elevate rispetto al silicio, che a sua volta consente il sic semiconduttore funzionalità del dispositivo a temperature molto più elevate rispetto al silicio. come discusso in base manuali di fisica dei dispositivi elettronici a semiconduttore, funzione dei dispositivi elettronici a semiconduttore nell'intervallo di temperatura in cui i trasportatori intrinseci sono trascurabili, in modo che la conducibilità sia controllata da impurità droganti introdotte intenzionalmente. inoltre, la concentrazione intrinseca di portatore è un prefactor fondamentale per le equazioni note che governano la perdita inversa di polarizzazione inversa della giunzione Correnti. all'aumentare della temperatura, i portatori intrinseci aumentano esponenzialmente in modo che perdite indesiderate le correnti crescono in modo inaccettabile, e alla fine a temperature ancora più elevate, il semiconduttore il funzionamento del dispositivo viene superato dalla conduttività incontrollata poiché i vettori intrinseci superano intenzionalmente drogaggio del dispositivo. a seconda del design del dispositivo specifico, la concentrazione di carrier intrinseca del silicio generalmente limita il funzionamento del dispositivo al silicio alle temperature di giunzione \u0026 lt; 300 ° c. sic è molto più piccolo la concentrazione intrinseca del vettore consente teoricamente il funzionamento del dispositivo a temperature di giunzione superiori a 800 ° C. Il funzionamento del dispositivo a 600 ° c sic è stato dimostrato sperimentalmente su una varietà di dispositivi sic. la capacità di posizionare l'elettronica dei semiconduttori ad alta temperatura non raffreddata direttamente nel caldo gli ambienti consentirebbero importanti benefici per l'industria automobilistica, aerospaziale e perforazione in profondità industrie. nel caso dei motori automobilistici e aerospaziali, una migliore telemetria elettronica e il controllo dalle regioni del motore ad alta temperatura è necessario per controllare più precisamente la combustione processo per migliorare l'efficienza del carburante riducendo al contempo le emissioni inquinanti. capacità ad alta temperatura elimina le penalità relative a prestazioni, affidabilità e peso associate al raffreddamento a liquido, ai ventilatori e alle temperature schermatura e corse di filo più lunghe necessarie per realizzare funzionalità simili nei motori che utilizzano convenzionali elettronica a semiconduttore al silicio.
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