De kenmerken van siliciumcarbide

Thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid is een maatstaf voor hoe gemakkelijk warmte door een materiaal wordt overgedragen. Dit is een belangrijke eigenschap van halfgeleiders, omdat het de mate aangeeft waarin een materiaal in staat is om effectief warmte af te voeren (warmteaccumulatie als gevolg van toegenomen vermogen als gevolg van verhoogde stroom), waardoor de spannings- en stroommogelijkheden ervan toenemen.

De thermische geleidbaarheid van silicium is 130 W/(m⋅K), wat aanzienlijk lager is dan die van siliciumcarbide (490 W/(m⋅K), waardoor halfgeleiders van siliciumcarbide warmte efficiënter kunnen afvoeren en hogere bedrijfsspanningen kunnen weerstaan.

Thermische uitzetting

Thermische uitzetting is wanneer een materiaal van vorm of grootte verandert – maar niet van fase verandert – als gevolg van een temperatuurverandering, zoals van een vloeistof naar een gas. Een bekend voorbeeld is het aanbrengen van heet water op een vastzittende flesdop, zodat deze kan opzwellen en gemakkelijk kan worden geopend.

Siliciumcarbide heeft een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het zijn vorm, sterkte en prestaties beter behoudt bij hoge temperaturen (en hoge spanningen), wat silicium mogelijk niet kan.

Elektrische veldsterkte

Twee andere belangrijke en relevante halfgeleidereigenschappen zijn de bandafstand van het materiaal en de maximale elektrische veldsterkte.

In een halfgeleidermateriaalmolecuul bewegen elektronen tussen verschillende banden: het gebied dat ze moeten innemen omdat er geen energietoestand tussen de banden is. De bandafstand (of energiekloof) is de energie die een elektron nodig heeft om de overgang te maken van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor elektriciteit kan worden geleid. Wanneer halfgeleiders elektrische energie ontvangen en in deze geleidende toestand terechtkomen, vertonen ze unieke isolator/geleider-hybride eigenschappen.

Halfgeleiders van siliciumcarbide hebben een drie keer grotere energiekloof dan halfgeleiders op basis van silicium, waardoor ze hogere elektrische veldsterktes kunnen weerstaan ​​dan silicium, waardoor ze bij hogere spanningen en temperaturen kunnen werken.

Halfgeleiders van siliciumcarbide hebben een grote energiekloof en kunnen warmte beter weerstaan ​​en afvoeren dan halfgeleiders op basis van silicium. Ze hebben ook andere voordelen:

De hoge energiekloof van siliciumcarbide is zeer nuttig bij toepassingen met hoog vermogen, omdat de hogere energiekloof kleinere halfgeleiderapparaten met hogere operationele prestaties mogelijk maakt.

Voor diodes, een gebruikelijk type halfgeleiderapparaat, is de doorslagspanning de spanning waarbij een omgekeerde aangelegde stroom door de diode kan stromen. De hoge doorslagspanning van siliciumcarbide maakt het ideaal voor MOSFET's.

Dit leidt tot een ander belangrijk halfgeleiderkenmerk in MOSFET's: omgekeerde hersteltijd. Als de MOSFET in een omgekeerde bias-toestand terechtkomt, staat de tijd die nodig is om terug te keren naar de normale toestand bekend als de omgekeerde hersteltijd. Gedurende deze tijd kan de stroom in de tegenovergestelde richting stromen en ervaart het systeem energieverlies. In deze gevallen hebben SiC-apparaten extreem snelle hersteltijden en verwaarloosbare energieverliezen, wat niet het geval is bij Si-apparaten.

Siliciumcarbide is flexibeler dan silicium wat betreft dotering (toevoegen van onzuiverheden). Het kan worden aangepast om alleen elektriciteit te geleiden onder specifieke omstandigheden, zoals licht dat een specifieke intensiteit ondergaat (infrarood, zichtbaar of ultraviolet), waardoor halfgeleiders van siliciumcarbide veelzijdiger worden.