I semiconduttori consentono ai nostri dispositivi elettronici di connettere il mondo intero. Il silicio (Si) è stato per lungo tempo il materiale principale per i semiconduttori, ma una nuova alternativa è il carburo di silicio (SiC).
I materiali semiconduttori hanno proprietà uniche, come la conduttività elettrica tra quella di un isolante e quella di un conduttore, con proprietà di entrambi; e bassa resistività alle alte temperature, che li rende adatti all'uso nei chip dei computer.
Le proprietà dei semiconduttori possono essere personalizzate aggiungendo impurità (doping) alla loro struttura molecolare. Ciò altera il percorso del flusso degli elettroni attraverso il silicio e il carburo di silicio e consente la personalizzazione per una varietà di applicazioni elettroniche.
I dispositivi SiC superano di gran lunga i dispositivi Si in molte-caratteristiche dei semiconduttori altamente ricercate, rendendoli un attore chiave nella ricerca di maggiore efficienza e prestazioni.
Quali sono le caratteristiche del carburo di silicio?
A causa della sua struttura atomica, il carburo di silicio (SiC) ha proprietà diverse rispetto al silicio puro. La struttura cristallina del silicio gli consente di formare un reticolo di base collegato a quattro atomi di silicio vicini. Tuttavia, il silicio si combina con il carbonio per formare un tetraedro compatto in cui quattro atomi di carbonio sono intervallati da un atomo di silicio, dando vita a una struttura cristallina che massimizza la densità di potenza, l'efficienza e l'affidabilità.
Conducibilità termica
La conduttività termica è una misura della facilità con cui il calore può essere trasferito attraverso un materiale. Questa è una caratteristica chiave dei semiconduttori in quanto indica la misura in cui un materiale è in grado di dissipare il calore in modo efficiente (accumulo di calore dovuto all'aumento di potenza a seguito di un aumento di corrente), aumentando così le sue capacità di tensione e corrente.
La conduttività termica del silicio di 130 W/(m⋅K) è significativamente inferiore rispetto ai 490 W/(m⋅K) del carburo di silicio, consentendo ai semiconduttori al carburo di silicio di dissipare il calore in modo più efficiente e resistere a tensioni operative più elevate.
Dilatazione termica
L'espansione termica avviene quando un materiale cambia forma o dimensione - ma non la fase - a causa di un cambiamento di temperatura, ad esempio da liquido a gas. Un esempio comune è l'applicazione di acqua calda al tappo di una bottiglia bloccato per espanderlo e aprirlo.
Il carburo di silicio ha un coefficiente di dilatazione termica molto basso, il che significa che è più in grado di mantenere la sua forma, resistenza e proprietà alle alte temperature (e alle alte tensioni), cosa che il silicio potrebbe non essere in grado di fare.
Intensità del campo elettrico
Altre due proprietà critiche e correlate dei semiconduttori sono il band gap del materiale e la massima intensità del campo elettrico.
Nelle molecole dei materiali semiconduttori, gli elettroni si muovono tra diverse bande energetiche: regioni che devono occupare perché non esistono stati energetici tra le bande. Il band gap (o gap energetico) è la quantità di energia necessaria affinché gli elettroni passino dalla banda di valenza alla banda di conduzione, consentendo così la conduttività elettrica. Quando i semiconduttori ricevono energia elettrica ed entrano in questo stato conduttivo, mostrano proprietà ibride isolante/conduttore uniche.
I semiconduttori al carburo di silicio hanno un gap energetico tre volte superiore a quello dei semiconduttori a base di silicio-, che consente loro di resistere a intensità di campo elettrico più elevate rispetto al silicio e quindi di funzionare a tensioni e temperature più elevate.
Vantaggi dei semiconduttori al carburo di silicio
Come accennato in precedenza, i semiconduttori al carburo di silicio presentano un gap energetico maggiore, che consente loro di resistere e dissipare meglio il calore rispetto ai semiconduttori a base di silicio-. Offrono anche altri vantaggi:
L'elevato gap energetico del carburo di silicio è utile nelle applicazioni ad alta-potenza perché consente dispositivi a semiconduttore più piccoli e prestazioni operative più elevate.
Per un diodo, un comune dispositivo a semiconduttore, la tensione di rottura è la tensione alla quale una corrente applicata inversa può fluire attraverso il diodo. L'elevata tensione di rottura del carburo di silicio lo rende ideale per i MOSFET.
Ciò porta ad un'altra importante caratteristica dei semiconduttori nei MOSFET: il tempo di recupero inverso. Se un MOSFET entra in polarizzazione inversa, il tempo necessario per tornare al suo stato normale è chiamato tempo di recupero inverso. Durante questo periodo, la corrente può fluire nella direzione opposta e il sistema subisce una perdita di energia. In questi casi, i dispositivi SiC hanno tempi di recupero inverso estremamente rapidi e perdite di energia trascurabili, mentre i dispositivi Si no.
Il carburo di silicio ha maggiore flessibilità nel drogaggio (aggiunta di impurità) rispetto al silicio. Può essere personalizzato per condurre elettricità solo in condizioni specifiche, come sperimentando una specifica intensità di luce (infrarossi, visibili o ultravioletti), che offre ai semiconduttori SiC più applicazioni.
