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Le carbure de silicium: du matériau abrasif au semi-conducteur de nouvelle génération

Lorsque l'on parle de carbure de silicium, la première chose qui vient à l'esprit est peut-être la meuleuse de carborundum familière, du type souvent utilisé pour affûter les couteaux de cuisine.Grâce à son excellente résistance à l'usureLe carbure de silicium, qui présente une dureté élevée et une excellente stabilité à haute température, est largement utilisé depuis longtemps dans les abrasifs, les outils de meulage, les matériaux réfractaires et les céramiques fonctionnelles.

Dans notre article précédent, nous avons discuté de l'histoire des cristaux de carbure de silicium comme pierres précieuses d'amour. Dans cet article, nous nous concentrerons sur le carbure de silicium comme matériau semi-conducteur.

Les semi-conducteurs sont des composants essentiels dans presque tous les circuits électroniques que nous rencontrons.comme un métal, et un isolant, comme la céramique ou le plastique.La conductivité d'un semi-conducteur peut également changer en fonction de sa température de fonctionnement ou des impuretés introduites pendant le processus de fabrication..

La conductivité électrique est déterminée par la structure de la bande d'énergie du matériau.une définition plus précise d'un semi-conducteur devrait être fondée sur sa structure de bande.

Comme le montre le diagramme ci-dessous, les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants ont des structures de bande d'énergie différentes.ou la différence d'énergie entre eux est très faibleEn conséquence, seule une petite quantité d'énergie, comme un champ électrique externe, est nécessaire pour exciter les électrons dans la bande de conduction et générer un flux de courant directionnel.

Dans les semi-conducteurs, il existe une bande interdite, également appelée l'écart de bande, entre la bande de conduction et la bande de valence.Les électrons ne peuvent être excités dans la bande de conduction que lorsqu'ils absorbent une énergie supérieure à l'écart de bandeEn général, les écarts de bande des semi-conducteurs varient d'environ 0 à 6,5 eV.

Dans les isolants, l'écart de bande est beaucoup plus grand, généralement de l'ordre de plus de 10 eV, ce qui rend très difficile l'excitation des électrons dans la bande de conduction.la conduction électrique ne se produit pas facilement.

Par conséquent, la conductivité électrique unique des semi-conducteurs entre conducteurs et isolants est fondamentalement déterminée par leur structure de bande d'énergie.

Diagramme de la structure de la bande d'énergie

Du silicium au carbure de silicium

Les semi-conducteurs peuvent être fabriqués à partir d'éléments purs, le silicium et le germanium étant les exemples les plus courants.Ils peuvent également être fabriqués à partir de matériaux composés tels que le carbure de silicium (SiC) et l'arsenure de gallium (GaAs).

Les premiers appareils semi-conducteurs étaient principalement fabriqués à partir de germanium.Les performances du dispositif se sont progressivement rapprochées des limites physiques du silicium lui-même..

Cela a créé de nouvelles opportunités pour les matériaux semi-conducteurs avancés, dont le carbure de silicium, ou SiC, est devenu l'un des concurrents les plus prometteurs du silicium traditionnel.

Examinons de plus près les avantages du SiC par rapport au Si.

La structure unique du SiC lui confère une performance supérieure

Le carbure de silicium est un matériau composé de semi-conducteurs composé d'atomes de carbone et de silicium dans un rapport stochiométrique de 1: 1.comme le SiC4 ou le CSi4Dans cette structure, un atome est situé au centre d'un tétraèdre formé par quatre atomes environnants.

Structure atomique du SiC

La structure d'un matériau détermine ses propriétés, et ses propriétés déterminent ses applications.C'est précisément la structure atomique unique du SiC qui lui confère d'excellentes performances physiques et chimiques.

Examinons quelques-unes des principales propriétés du SiC, notamment la résistance à la décomposition, l'écart de bande et la conductivité thermique.

1. Résistance à la rupture critique élevée

Le SiC a une résistance critique à la décomposition très élevée. Cela signifie que les appareils SiC peuvent résister à des tensions plus élevées tout en conservant la même taille de paquet.Il permet également de réduire les exigences d'isolation des emballages tout en maintenant la même tension nominale.

En conséquence, le SiC peut être utilisé pour fabriquer des composants avec des tensions de blocage qui peuvent être d'un ordre de grandeur supérieures à celles possibles avec le silicium.

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un semi-conducteur est son écart d'énergie, ou écart de bande.602 × 10−19 joules.

L'écart de bande du SiC est d'environ 3,26 eV, tandis que celui du Si est d'environ 1,12 eV. Par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels tels que le Si et le GaAs,Les semi-conducteurs à large bande de troisième génération représentés par le SiC permettent aux appareils électroniques, en particulier aux appareils électroniques de puissance, de fonctionner à des tensions plus élevées., des températures plus élevées et des fréquences plus élevées.

Cela rend les appareils à base de SiC plus rapides, plus petits et plus fiables.

3. Haute conductivité thermique

La conductivité thermique est une autre propriété importante des matériaux semi-conducteurs..

Cela permet aux composants fabriqués à partir de semi-conducteurs à haute conductivité thermique d'être plus petits et contribue à améliorer la gestion thermique du système global.

La conductivité thermique du SiC est d'environ 430 W/m·K, tandis que celle du Si est d'environ 150 W/m·K. Cela confère au SiC un avantage évident dans les applications à haute puissance et à haute température.

Le carbure de silicium comme matériau de semi-conducteur

Nous avons déjà discuté de nombreuses applications traditionnelles du SiC, y compris des matériaux réfractaires, des abrasifs et des céramiques fonctionnelles.Le potentiel le plus excitant du SiC réside dans ses performances en tant que matériau semi-conducteur de puissance utilisé dans des dispositifs tels que les MOSFET et les diodes de barrière Schottky.

Grâce à sa résistance à la décomposition élevée, à son large écart de bande et à son excellente conductivité thermique, le SiC peut surpasser les matériaux semi-conducteurs traditionnels tels que le Si, le Ge,et GaAs dans de nombreuses applications exigeantes.

À mesure que les technologies de fabrication continuent de mûrir, le carbure de silicium devient une étoile montante dans le domaine des matériaux semi-conducteurs.