Rincian Blog

Karbida Silikon: Dari Bahan Abrasif ke Semikonduktor Generasi Berikutnya

Ketika kita berbicara tentang silikon karbida, hal pertama yang mungkin terlintas dalam pikiran adalah roda penggiling karborundum yang akrab - jenis yang sering digunakan untuk mengasah pisau dapur.Berkat ketahanannya yang sangat baik, kekerasan tinggi, dan stabilitas suhu tinggi yang luar biasa, silikon karbida telah lama digunakan secara luas dalam abrasif, alat grinding, bahan tahan api, dan keramik fungsional.

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

Semikonduktor adalah komponen penting dalam hampir setiap sirkuit elektronik yang kita temui. Semikonduktor adalah jenis material khusus yang konduktivitas listriknya berada di antara konduktor,seperti logam, dan isolasi, seperti keramik atau plastik.Konduktivitas semikonduktor juga dapat berubah tergantung pada suhu operasi atau kotoran yang diperkenalkan selama proses manufaktur.

Namun, secara ketat, konduktivitas listrik ditentukan oleh struktur pita energi material.definisi semikonduktor yang lebih tepat harus didasarkan pada struktur bandnya.

Seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah ini, konduktor, semikonduktor, dan insulator memiliki struktur pita energi yang berbeda.atau perbedaan energi antara mereka sangat kecilAkibatnya, hanya sejumlah kecil energi, seperti medan listrik eksternal, yang dibutuhkan untuk merangsang elektron ke pita konduksi dan menghasilkan aliran arus arah.

Dalam semikonduktor, ada band terlarang, juga dikenal sebagai celah band, antara band konduksi dan band valensi.Elektron hanya bisa tergesa-gesa ke dalam pita konduksi ketika mereka menyerap energi lebih besar dari celah pitaSecara umum, celah pita semikonduktor berkisar dari sekitar 0 hingga 6,5 eV.

Dalam insulator, celah pita jauh lebih besar, biasanya dalam urutan lebih dari 10 eV, sehingga sangat sulit bagi elektron untuk tergesa-gesa ke dalam pita konduksi.Konduksi listrik tidak mudah terjadi.

Oleh karena itu, konduktivitas listrik unik dari semikonduktor antara konduktor dan isolator secara mendasar ditentukan oleh struktur pita energi mereka.

Diagram struktur pita energi

Dari Silikon ke Karbida Silikon

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

Perangkat semikonduktor awal terutama terbuat dari germanium. Kemudian, silikon menjadi bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan.Kinerja perangkat telah secara bertahap mendekati batas fisik silikon itu sendiri.

Hal ini telah menciptakan peluang baru untuk bahan semikonduktor canggih. Di antaranya, silikon karbida, atau SiC, telah menjadi salah satu pesaing yang paling menjanjikan untuk silikon tradisional.

Mari kita lihat lebih dekat keunggulan SiC dibandingkan dengan Si.

Struktur SiC yang Unik Memberikannya Kinerja yang Lebih Tinggi

Silikon karbida adalah bahan semikonduktor senyawa yang terdiri dari karbon dan atom silikon dalam rasio 1: 1.seperti SiC4 atau CSi4Dalam struktur ini, satu atom terletak di pusat tetrahedron yang terbentuk oleh empat atom di sekitarnya.

Struktur atom SiC

Struktur material menentukan sifatnya, dan sifatnya menentukan aplikasinya.Struktur atom SiC yang unik memberikan kinerja fisik dan kimia yang sangat baik.

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

1. Kekuatan pemecahan kritis yang tinggi

SiC memiliki kekuatan pemecahan kritis yang sangat tinggi. Ini berarti bahwa perangkat SiC dapat menahan tegangan yang lebih tinggi sambil mempertahankan ukuran paket yang sama.Hal ini juga memungkinkan untuk mengurangi persyaratan isolasi dalam kemasan sambil menjaga tegangan nominal yang sama.

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

Salah satu karakteristik yang paling penting dari semikonduktor adalah celah energi, atau celah pita.602 × 10−19 joule.

Jurang pita SiC adalah sekitar 3,26 eV, sedangkan Si adalah sekitar 1,12 eV. Dibandingkan dengan bahan semikonduktor tradisional seperti Si dan GaAs,Generasi ketiga semikonduktor wide-bandgap yang diwakili oleh SiC memungkinkan perangkat elektronik, terutama perangkat elektronik tenaga, untuk beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi, suhu yang lebih tinggi, dan frekuensi yang lebih tinggi.

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

3Konduktivitas termal tinggi

Konduktivitas termal adalah sifat penting lain dari bahan semikonduktor. Semakin tinggi konduktivitas termal, semakin efektif material dapat menghilangkan panas yang dihasilkan selama operasi.

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

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

Karbida Silikon sebagai bahan semikonduktor

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

Berkat kekuatan pemecahan yang tinggi, celah pita yang luas, dan konduktivitas termal yang sangat baik, SiC dapat mengalahkan bahan semikonduktor tradisional seperti Si, Ge,dan GaAs dalam banyak aplikasi yang menuntut.

Karena teknologi manufaktur terus matang, silikon karbida menjadi bintang yang sedang naik di bidang bahan semikonduktor.