Differenze tra cristalli SiC con strutture diverse

Carburo di silicio (SiC)è un materiale che possiede un'eccezionale stabilità termica, fisica e chimica, esibendo proprietà che vanno oltre quelle dei materiali convenzionali. La sua conduttività termica è sorprendente: 84 W/(m·K), ovvero non solo superiore a quella del rame ma anche tre volte superiore a quella del silicio. Ciò dimostra il suo enorme potenziale di utilizzo nelle applicazioni di gestione termica. Il bandgap del SiC è circa tre volte quello del silicio e l'intensità del campo elettrico di rottura è un ordine di grandezza superiore a quello del silicio. Ciò significa che il SiC può fornire maggiore affidabilità ed efficienza nelle applicazioni ad alta tensione. Inoltre, il SiC può ancora mantenere una buona conduttività elettrica a temperature elevate di 2000°C, paragonabili alla grafite. Ciò lo rende un materiale semiconduttore ideale in ambienti ad alta temperatura. Anche la resistenza alla corrosione del SiC è estremamente eccezionale. Il sottile strato di SiO2 formato sulla sua superficie previene efficacemente l'ulteriore ossidazione, rendendolo resistente a quasi tutti gli agenti corrosivi conosciuti a temperatura ambiente. Ciò garantisce la sua applicazione in ambienti difficili.

In termini di struttura cristallina, la diversità del SiC si riflette nelle sue oltre 200 diverse forme cristalline, una caratteristica attribuita ai diversi modi in cui gli atomi sono densamente impacchettati all’interno dei suoi cristalli. Sebbene esistano molte forme cristalline, queste forme cristalline possono essere approssimativamente suddivise in due categorie: β-SiC con struttura cubica (struttura della blenda di zinco) e α-SiC con struttura esagonale (struttura della wurtzite). Questa diversità strutturale non solo arricchisce le proprietà fisiche e chimiche del SiC, ma offre anche ai ricercatori maggiori scelte e flessibilità nella progettazione e ottimizzazione dei materiali semiconduttori basati su SiC.

Tra le tante forme di cristalli SiC, quelle più comuni includono3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e 15R-SiC. La differenza tra queste forme cristalline si riflette principalmente nella loro struttura cristallina. Il 3C-SiC, noto anche come carburo di silicio cubico, presenta le caratteristiche di una struttura cubica ed è la struttura più semplice tra i SiC. Il SiC con struttura esagonale può essere ulteriormente suddiviso in 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e altri tipi in base alle diverse disposizioni atomiche. Queste classificazioni riflettono il modo in cui gli atomi sono raggruppati all'interno del cristallo, nonché la simmetria e la complessità del reticolo.

Il gap di banda è un parametro chiave che determina l'intervallo di temperatura e il livello di tensione in cui possono operare i materiali semiconduttori. Tra le numerose forme cristalline di SiC, 2H-SiC ha la larghezza di banda più elevata di 3,33 eV, indicando la sua eccellente stabilità e prestazioni in condizioni estreme; Segue da vicino 4H-SiC, con una larghezza di banda proibita di 3,26 eV; 6H-SiC ha una banda proibita leggermente inferiore di 3,02 eV, mentre 3C-SiC ha la banda proibita più bassa di 2,39 eV, rendendolo più ampiamente utilizzato a temperature e tensioni più basse.

La massa effettiva dei fori è un fattore importante che influenza la mobilità dei fori dei materiali. La massa effettiva del foro di 3C-SiC è 1,1 m0, che è relativamente bassa, indicando che la mobilità del foro è buona. La massa effettiva del foro di 4H-SiC è 1,75 m0 sul piano di base della struttura esagonale e 0,65 m0 quando è perpendicolare al piano di base, mostrando la differenza nelle sue proprietà elettriche in diverse direzioni. La massa effettiva del foro del 6H-SiC è simile a quella del 4H-SiC, ma nel complesso leggermente inferiore, il che ha un impatto sulla mobilità del suo portatore. La massa effettiva dell'elettrone varia nell'intervallo 0,25-0,7 m0, a seconda della specifica struttura cristallina.

La mobilità dei portatori è una misura della velocità con cui gli elettroni e le lacune si muovono all'interno di un materiale. 4H-SiC si comporta bene in questo senso. La mobilità delle lacune e degli elettroni è significativamente superiore a quella del 6H-SiC, il che rende il 4H-SiC prestazioni migliori nei dispositivi elettronici di potenza.

Dal punto di vista delle prestazioni globali, ogni forma cristallina diSiCha i suoi vantaggi unici. 6H-SiC è adatto per la produzione di dispositivi optoelettronici grazie alla sua stabilità strutturale e alle buone proprietà di luminescenza.3C-SiCè adatto per dispositivi ad alta frequenza e ad alta potenza grazie alla sua elevata velocità di deriva degli elettroni saturi. Il 4H-SiC è diventato la scelta ideale per i dispositivi elettronici di potenza grazie alla sua elevata mobilità degli elettroni, alla bassa resistenza nello stato di conduzione e all'elevata densità di corrente. Infatti, il 4H-SiC non è solo il materiale semiconduttore di terza generazione con le migliori prestazioni, il più alto grado di commercializzazione e la tecnologia più matura, ma è anche il materiale preferito per la produzione di dispositivi a semiconduttore di potenza in condizioni di alta pressione e alta pressione. temperatura e ambienti resistenti alle radiazioni.