Rincian Blog

Silicon Carbide: Dari Bahan Abrasif hingga Semikonduktor Generasi Berikutnya

Ketika kita berbicara tentang silikon karbida, hal pertama yang mungkin terlintas di benak kita adalah roda gerinda karborundum yang sudah dikenal—jenis yang sering digunakan untuk mengasah pisau dapur. Berkat ketahanan aus yang sangat baik, kekerasan tinggi, dan stabilitas suhu tinggi yang luar biasa, silikon karbida telah lama digunakan secara luas dalam bahan abrasif, alat gerinda, bahan tahan api, dan keramik fungsional.

Pada artikel kami sebelumnya, kami membahas kisah kristal silikon karbida sebagai “batu permata cinta”. Pada artikel ini kita akan fokus pada silikon karbida sebagai bahan semikonduktor.

Apa Itu Semikonduktor?

Semikonduktor merupakan komponen penting di hampir setiap rangkaian elektronik yang kita temui. Semikonduktor adalah jenis bahan khusus yang daya hantar listriknya terletak di antara konduktor, seperti logam, dan isolator, seperti keramik atau plastik. Konduktivitas semikonduktor juga dapat berubah tergantung pada suhu operasinya atau pengotor yang dimasukkan selama proses pembuatan.

Klasifikasi bahan berdasarkan konduktivitas listrik

Namun sebenarnya, konduktivitas listrik ditentukan oleh struktur pita energi material. Oleh karena itu, definisi semikonduktor yang lebih tepat harus didasarkan pada struktur pitanya.

Seperti ditunjukkan pada diagram di bawah, konduktor, semikonduktor, dan isolator memiliki struktur pita energi yang berbeda. Pada konduktor, pita konduksi dan pita valensi tumpang tindih, atau perbedaan energi di antara keduanya sangat kecil. Akibatnya, hanya sejumlah kecil energi, seperti medan listrik eksternal, yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron ke pita konduksi dan menghasilkan aliran arus terarah.

Dalam semikonduktor, terdapat pita terlarang, disebut juga pita gap, antara pita konduksi dan pita valensi. Elektron hanya dapat tereksitasi ke dalam pita konduksi jika elektron tersebut menyerap energi yang lebih besar daripada celah pitanya. Secara umum, celah pita semikonduktor berkisar antara 0 hingga 6,5 ​​eV.

Pada isolator, celah pita jauh lebih besar, biasanya lebih dari 10 eV, sehingga sangat sulit bagi elektron untuk tereksitasi ke pita konduksi. Akibatnya konduksi listrik tidak mudah terjadi.

Oleh karena itu, konduktivitas listrik unik semikonduktor—antara konduktor dan isolator—pada dasarnya ditentukan oleh struktur pita energinya.

Diagram struktur pita energi

Dari Silikon hingga Silikon Karbida

Semikonduktor dapat dibuat dari unsur murni, dengan silikon dan germanium sebagai contoh yang paling umum. Mereka juga dapat dibuat dari bahan majemuk seperti silikon karbida (SiC) dan galium arsenida (GaAs).

Perangkat semikonduktor awal sebagian besar dibuat dari germanium. Belakangan, silikon menjadi bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan. Namun, seiring dengan terus berkembangnya teknologi perangkat berbasis silikon, kinerja perangkat secara bertahap mendekati batas fisik silikon itu sendiri.

Hal ini telah menciptakan peluang baru untuk material semikonduktor canggih. Diantaranya, silikon karbida, atau SiC, telah menjadi salah satu pesaing paling menjanjikan bagi silikon tradisional.

Mari kita lihat lebih dekat kelebihan SiC dibandingkan Si.

Struktur Unik SiC Memberikan Kinerja Unggul

Silikon karbida merupakan bahan semikonduktor senyawa yang tersusun dari atom karbon dan silikon dengan perbandingan stoikiometri 1:1. Unit struktur dasar kristal SiC adalah struktur tetrahedral, seperti SiC₄ atau CSi₄. Dalam struktur ini, satu atom terletak di pusat tetrahedron yang dibentuk oleh empat atom di sekitarnya.

Struktur atom SiC

Struktur suatu material menentukan sifat-sifatnya, dan sifat-sifatnya menentukan penerapannya. Struktur atom SiC yang unik inilah yang memberikan kinerja fisik dan kimia yang sangat baik.

Mari kita lihat beberapa sifat utama SiC, termasuk kekuatan kerusakan, celah pita, dan konduktivitas termal.

1. Kekuatan Kerusakan Kritis Tinggi

SiC memiliki kekuatan tembus kritis yang sangat tinggi. Ini berarti perangkat SiC dapat menahan tegangan yang lebih tinggi dengan tetap mempertahankan ukuran paket yang sama. Hal ini juga memungkinkan pengurangan kebutuhan isolasi dalam kemasan sekaligus menjaga peringkat voltase yang sama.

Hasilnya, SiC dapat digunakan untuk memproduksi komponen dengan tegangan pemblokiran yang mungkin lebih tinggi daripada yang dapat dicapai dengan silikon.

2. Celah Pita Lebar

Salah satu karakteristik paling penting dari semikonduktor adalah kesenjangan energinya, atau kesenjangan pita. Celah pita diukur dalam elektron volt, atau eV, dengan 1 eV kira-kira sama dengan 1,602 × 10⁻¹⁹ joule.

Celah pita SiC sekitar 3,26 eV, sedangkan celah pita Si sekitar 1,12 eV. Dibandingkan dengan bahan semikonduktor tradisional seperti Si dan GaAs, semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga yang diwakili oleh SiC memungkinkan perangkat elektronik—terutama perangkat elektronik daya—beroperasi pada tegangan lebih tinggi, suhu lebih tinggi, dan frekuensi lebih tinggi.

Hal ini membuat perangkat berbasis SiC lebih cepat, lebih kecil, dan lebih andal.

3. Konduktivitas Termal Tinggi

Konduktivitas termal adalah sifat penting lainnya dari bahan semikonduktor. Semakin tinggi konduktivitas termal, semakin efektif material dalam menghilangkan panas yang dihasilkan selama pengoperasian.

Hal ini memungkinkan komponen yang terbuat dari semikonduktor dengan konduktivitas termal tinggi menjadi lebih kecil dan membantu meningkatkan manajemen termal sistem secara keseluruhan.

Konduktivitas termal SiC sekitar 430 W/m·K, sedangkan Si sekitar 150 W/m·K. Hal ini memberikan SiC keuntungan yang jelas dalam aplikasi berdaya tinggi dan suhu tinggi.

Silikon Karbida sebagai Bahan Semikonduktor

Kita telah membahas banyak aplikasi tradisional SiC, termasuk bahan tahan api, bahan abrasif, dan keramik fungsional. Namun, potensi paling menarik dari SiC terletak pada kinerjanya sebagai bahan semikonduktor daya yang digunakan pada perangkat seperti MOSFET dan dioda penghalang Schottky.

Berkat kekuatan tembusnya yang tinggi, celah pita yang lebar, dan konduktivitas termal yang sangat baik, SiC dapat mengungguli material semikonduktor tradisional seperti Si, Ge, dan GaAs dalam banyak aplikasi yang menuntut.

Seiring dengan semakin matangnya teknologi manufaktur, silikon karbida menjadi bintang baru di bidang bahan semikonduktor.