Farklı yapılara sahip SiC kristalleri arasındaki farklar

Silisyum karbür (SiC)olağanüstü termal, fiziksel ve kimyasal stabiliteye sahip, geleneksel malzemelerin ötesine geçen özellikler sergileyen bir malzemedir. Isı iletkenliği şaşırtıcı bir değer olan 84W/(m·K)'dir; bu, yalnızca bakırdan değil, aynı zamanda silikonunkinden de üç kat daha yüksektir. Bu, termal yönetim uygulamalarında kullanım için muazzam potansiyelini göstermektedir. SiC'nin bant aralığı silikonun yaklaşık üç katıdır ve arıza elektrik alanı gücü silikondan çok daha yüksektir. Bu, SiC'nin yüksek voltaj uygulamalarında daha yüksek güvenilirlik ve verimlilik sağlayabileceği anlamına gelir. Ek olarak SiC, 2000°C'lik yüksek sıcaklıklarda da grafit ile karşılaştırılabilecek düzeyde iyi elektrik iletkenliğini koruyabilir. Bu onu yüksek sıcaklıktaki ortamlarda ideal bir yarı iletken malzeme haline getirir. SiC'nin korozyon direnci de son derece olağanüstüdür. Yüzeyinde oluşan ince SiO2 tabakası daha fazla oksidasyonu etkili bir şekilde önleyerek oda sıcaklığında bilinen neredeyse tüm aşındırıcı maddelere karşı dayanıklı olmasını sağlar. Bu, zorlu ortamlarda uygulanmasını sağlar.

Kristal yapısı açısından SiC'nin çeşitliliği, 200'den fazla farklı kristal formuna yansır; bu, atomların kristalleri içinde yoğun bir şekilde paketlendiği çeşitli yollara atfedilen bir özelliktir. Pek çok kristal formu olmasına rağmen, bu kristal formları kabaca iki kategoriye ayrılabilir: kübik yapıya sahip β-SiC (çinko blende yapısı) ve altıgen yapıya sahip α-SiC (wurtzite yapısı). Bu yapısal çeşitlilik yalnızca SiC'nin fiziksel ve kimyasal özelliklerini zenginleştirmekle kalmıyor, aynı zamanda araştırmacılara SiC tabanlı yarı iletken malzemeleri tasarlarken ve optimize ederken daha fazla seçenek ve esneklik sağlıyor.

Birçok SiC kristal formu arasında en yaygın olanları şunları içerir:3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC ve 15R-SiC. Bu kristal formları arasındaki fark esas olarak kristal yapılarına yansır. Kübik silisyum karbür olarak da bilinen 3C-SiC, kübik yapının özelliklerini gösterir ve SiC'ler arasında en basit yapıdır. Altıgen yapıya sahip SiC, farklı atomik düzenlemelere göre ayrıca 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC ve diğer tiplere bölünebilir. Bu sınıflandırmalar, atomların kristalin içindeki paketlenme şeklini ve ayrıca kafesin simetrisini ve karmaşıklığını yansıtır.

Bant aralığı, yarı iletken malzemelerin çalışabileceği sıcaklık aralığını ve voltaj seviyesini belirleyen önemli bir parametredir. SiC'nin çeşitli kristal formları arasında 2H-SiC, 3,33 eV'lik en yüksek bant aralığı genişliğine sahiptir; bu, aşırı koşullar altında mükemmel stabilitesini ve performansını gösterir; 4H-SiC, 3,26 eV bant aralığı genişliğiyle yakından takip ediyor; 6H-SiC, 3,02 eV'lik biraz daha düşük bir bant aralığına sahipken, 3C-SiC, 2,39 eV'lik en düşük bant aralığına sahiptir ve bu da onun daha düşük sıcaklıklarda ve voltajlarda daha yaygın olarak kullanılmasını sağlar.

Etkili delik kütlesi, malzemelerin delik hareketliliğini etkileyen önemli bir faktördür. 3C-SiC'nin delik etkin kütlesi 1,1 m0'dır ve bu nispeten düşüktür, bu da delik hareketliliğinin iyi olduğunu gösterir. 4H-SiC'nin delik etkin kütlesi, altıgen yapının taban düzleminde 1,75m0 ve taban düzlemine dik olduğunda 0,65m0 olup, farklı yönlerde elektriksel özelliklerindeki farkı gösterir. 6H-SiC'nin delik etkili kütlesi 4H-SiC'ninkine benzer ancak genel olarak biraz daha düşüktür, bu da taşıyıcının hareketliliğini etkiler. Elektronun etkin kütlesi, spesifik kristal yapısına bağlı olarak 0,25-0,7 m0 aralığında değişir.

Taşıyıcı hareketliliği, elektronların ve deliklerin bir malzeme içinde ne kadar hızlı hareket ettiğinin bir ölçüsüdür. 4H-SiC bu açıdan iyi bir performans sergiliyor. Delik ve elektron hareketliliği 6H-SiC'den önemli ölçüde daha yüksektir, bu da 4H-SiC'nin güç elektroniği cihazlarında daha iyi performans göstermesini sağlar.

Kapsamlı performans açısından bakıldığında, her bir kristal formuSiCkendine özgü avantajları vardır. 6H-SiC, yapısal kararlılığı ve iyi lüminesans özellikleri nedeniyle optoelektronik cihazların üretimi için uygundur.3C-SiCYüksek doymuş elektron sürüklenme hızı nedeniyle yüksek frekanslı ve yüksek güçlü cihazlar için uygundur. 4H-SiC, yüksek elektron hareketliliği, düşük direnç ve yüksek akım yoğunluğu nedeniyle güç elektroniği cihazları için ideal bir seçim haline geldi. Aslında 4H-SiC yalnızca en iyi performansa, en yüksek ticarileşme derecesine ve en olgun teknolojiye sahip üçüncü nesil yarı iletken malzeme değil, aynı zamanda yüksek basınçlı, yüksek basınçlı güç yarı iletken cihazlarının üretiminde de tercih edilen malzemedir. sıcaklığa ve radyasyona dayanıklı ortamlar.