dispositivos e circuitos eletrônicos de semicondutores à base de carboneto de silício (sic) estão atualmente sendo desenvolvidos para uso em condições de alta temperatura, alta potência e alta radiação sob as quais os semicondutores convencionais não pode executar adequadamente. a capacidade do carboneto de silício para funcionar sob tais condições extremas Espera-se que permita melhorias significativas para uma ampla variedade de aplicativos e sistemas. estes variam de comutação de alta voltagem muito melhorada para economia de energia em energia elétrica pública Drives de distribuição e motor elétrico para eletrônica de microondas mais potente para radar e comunicações a sensores e controles para aeronaves a jato mais limpas e de combustível mais limpo motores. na área particular dos dispositivos de potência, as avaliações teóricas indicaram que retificadores de diodo e mosfet de potência operariam em faixas de tensão e temperatura mais altas, características de comutação superiores, e ainda ter tamanhos de matriz quase 20 vezes menores do que correspondentemente dispositivos baseados em silício. no entanto, essas tremendas vantagens teóricas ainda não foram amplamente realizado em dispositivos sic disponíveis comercialmente, principalmente devido ao fato de que sic é relativamente imaturo tecnologias de crescimento de cristais e fabricação de dispositivos ainda não estão suficientemente desenvolvidas para o grau requerido para incorporação confiável na maioria dos sistemas eletrônicos. este capítulo analisa brevemente a tecnologia eletrônica de semicondutores sic. em particular, as diferenças (bom e ruim) entre a tecnologia sic electronics e a conhecida tecnologia silício vlsi estão destacados. benefícios projetados de desempenho da eletrônica sic são destacados por vários grandes escala aplicações. principais problemas de crescimento de cristal e fabricação de dispositivos que atualmente limitam o desempenho e capacidade de alta temperatura e alta potência sic eletrônica são identificados.
Atualmente, os materiais de carbeto de silício (sic) estão se transformando de pesquisa e desenvolvimento em um produto de fabricação voltado para o mercado. Os substratos sic são usados atualmente como base para uma grande fração da produção mundial de diodos emissores de luz verde, azul e ultravioleta (leds). mercados emergentes para sic homoepitaxy incluem dispositivos de comutação de alta potência e dispositivos de micro-ondas para banda s e x. aplicações para estruturas baseadas em gan heteroepitaxiais em substratos sic incluem leds e dispositivos de microondas. esses resultados empolgantes de dispositivos derivam principalmente da exploração das propriedades elétricas e termofísicas exclusivas oferecidas por sic em comparação com si e gaas. entre estes estão: um grande bandgap para operação de alta temperatura e resistência à radiação; campo de falha crítica alta para saída de alta potência; alta velocidade saturada de elétrons para operação de alta frequência; condutividade térmica significativamente maior para o gerenciamento térmico de dispositivos de alta potência.
carboneto de silício ocorre em muitas estruturas cristalinas diferentes, chamadas politipos. apesar do fato de que todos os politipos de sic consistem quimicamente em 50% de átomos de carbono ligados covalentemente a 50% de átomos de silício, cada polipo do sic tem seu próprio conjunto distinto de propriedades semicondutoras elétricas. Embora existam mais de 100 poltypes conhecidos de sic, apenas alguns são comumente cultivados em uma forma reproduzível aceitável para uso como um semicondutor eletrônico. os polipipos mais comuns de sic atualmente sendo desenvolvidos para eletrônica são 3c-sic, 4h-sic e 6h-sic. A estrutura cristalina atômica dos dois polipos mais comuns é mostrada na seção transversal esquemática da figura. como discutido muito mais detalhadamente nas referências 9 e 10, os diferentes politipos de sic são na verdade compostos de diferentes seqüências de empilhamento de bicamadas si-c (também chamadas de si-c camadas duplas), onde cada bicamada si-c é denotada pelo pontilhado. caixas na figura. cada átomo dentro de uma bicamada possui três ligações químicas covalentes com outros átomos na mesma (sua própria) bicamada, e apenas uma ligação a um átomo em uma bicamada adjacente. A figura 5.1a mostra a bicamada da sequência de empilhamento do polipo-tipo 4h-sic, que requer quatro bicamadas si-c para definir a distância de repetição da célula unitária ao longo da direção de empilhamento do eixo c (denotado por índices de elasticidade). semelhantemente, o politipo 6h-sic repete sua sequência de empilhamento a cada seis bicamadas em todo o cristal ao longo da direção de empilhamento. A direção representada na figura é muitas vezes referida como uma das (juntamente com) as direções do eixo a. O sic é um semicondutor polar através do eixo c, em que uma superfície normal ao eixo c é terminada com átomos de silício enquanto a superfície oposta do eixo c normal é terminada com átomos de carbono. como mostrado, essas superfícies são normalmente chamadas de superfícies “face de silicone” e “face de carbono”, respectivamente. os átomos ao longo da borda esquerda ou direita da figura residiriam no plano da superfície do cristal “a face” normal à direção. 3c-sic, também conhecido como β-sic, é a única forma de sic com uma estrutura de rede cristalina cúbica. os politipos não-cúbicos de sic são às vezes ambiguamente referidos como α-sic. 4h-sic e 6h-sic são apenas dois dos muitos politipos sic possíveis com estrutura cristalina hexagonal. similarmente, 15r-sic é o mais comum dos muitos politipos sic possíveis com uma estrutura cristalina romboédrica.
devido ao diferente arranjo de si e c átomos dentro da rede cristalina sic, cada politipo sic exibe propriedades elétricas e ópticas fundamentais únicas. alguns dos semicondutores mais importantes propriedades elétricas dos polipetos 3c, 4h e 6h sic são dadas na tabela 5.1. muito mais propriedades elétricas detalhadas podem ser encontradas nas referências 11–13 e nas referências. mesmo dentro de um dado polytype, algumas propriedades elétricas importantes são nonisotropic, em que são funções fortes de direção cristalográfica do fluxo de corrente e campo elétrico aplicado (por exemplo, mobilidade de elétrons por 6h-sic). impurezas dopantes em sic podem incorporar em locais energeticamente não-equivalentes. enquanto todos As energias de ionização dopantes associadas a vários locais de incorporação de dopantes devem considerado para máxima precisão, a tabela 5.1 lista apenas as energias de ionização mais impureza.
carboneto de silício ocorre em muitas estruturas cristalinas diferentes, chamadas politipos. um mais abrangente introdução à sic cristalografia e politipismo pode ser encontrada na referência 9. apesar do fato de que todos os politipos de sic consistem quimicamente em 50% de átomos de carbono ligados covalentemente a 50% de átomos de silício, Cada s polytype tem seu próprio conjunto distinto de propriedades semicondutoras elétricas. enquanto há mais 100 poltypes conhecidos de sic, apenas alguns são comumente cultivados em uma forma reprodutível aceitável para uso como um semicondutor eletrônico. os politipos mais comuns de sic atualmente sendo desenvolvidos para eletrônicos são 3c-sic, 4h-sic e 6h-sic. a estrutura cristalina atômica dos dois mais comuns polytypes é mostrado na seção transversal esquemática na figura 5.1. como discutido muito mais profundamente em referências 9 e 10, os diferentes politipos de sic são na verdade compostos de diferentes seqüências de empilhamento de bicamadas si-c (também chamadas de si-c camadas duplas), onde cada bicamada si-c é denotada pelo ponto caixas na figura 5.1. cada átomo dentro de uma bicamada tem três ligações químicas covalentes com outros átomos em a mesma (sua) bicamada e apenas uma ligação a um átomo em uma bicamada adjacente. figura 5.1a mostra o bicamada da sequência de empilhamento do polipépo 4h-sic, que requer quatro bicamadas si-c para definir a unidade distância de repetição de célula ao longo da direção de empilhamento do eixo c (denotado por índices de fresagem). similarmente, o politipo 6h-sic ilustrado na figura 5.1b repete sua sequência de empilhamento a cada seis bicamadas o cristal ao longo da direção de empilhamento. a direção representada na figura 5.1 é muitas vezes referida como uma das (junto com ) as direções do eixo a. sic é um semicondutor polar através do eixo c, nessa superfície normal ao eixo c é terminado com átomos de silício, enquanto a superfície normal do eixo c oposto é terminado com átomos de carbono. como mostrado na figura 5.1a, essas superfícies são geralmente chamadas Superfícies de “face de silicone” e “face de carbono”, respectivamente. átomos ao longo da margem esquerda ou direita da figura 5.1a residiria na superfície de cristal “a face” plano normal para a direção. 3c-sic, também conhecido como β-sic, é a única forma de sic com uma estrutura de rede cristalina cúbica. os politipos não-cúbicos de sic são algumas vezes ambiguamente chamadas de α-sic. 4h-sic e 6h-sic são apenas dois dos muitos. figura 5.1 representações transversais esquemáticas de (a) estrutura cristalina atômica 4h-sic e (b) 6h-sic, mostrando importantes direções e superfícies cristalográficas. polipetos sic possíveis com estrutura cristalina hexagonal. da mesma forma, 15r-sic é o mais comum dos muitos politipos sic possíveis com uma estrutura cristalina romboédrica.
devido ao diferente arranjo de si e c átomos dentro da rede cristalina sic, cada politipo sic exibe propriedades elétricas e ópticas fundamentais únicas. alguns dos semicondutores mais importantes propriedades elétricas dos polipetos 3c, 4h e 6h sic são dadas na tabela 5.1. muito mais propriedades elétricas detalhadas podem ser encontradas nas referências 11–13 e nas referências. mesmo dentro de um dado polytype, algumas propriedades elétricas importantes são nonisotropic, em que são funções fortes de direção cristalográfica do fluxo de corrente e campo elétrico aplicado (por exemplo, mobilidade de elétrons por 6h-sic). impurezas dopantes em sic podem incorporar em locais energeticamente não-equivalentes. enquanto todos As energias de ionização dopantes associadas a vários locais de incorporação de dopantes devem considerado para máxima precisão, a tabela 5.1 lista apenas as energias de ionização mais impureza. Tabela 5.1 Comparação de importantes propriedades eletrônicas semicondutoras selecionadas dos principais politipos de sic com silício, gaas e 2h-gan a 300 k para comparação, a tabela 5.1 também inclui propriedades comparáveis de silício, gaas e gan. Porque o silício é o semicondutor empregado na maioria dos eletrônicos comerciais de estado sólido, é o padrão contra o qual outros materiais semicondutores devem ser avaliados. em graus variados os principais sic os politipos exibem vantagens e desvantagens nas propriedades básicas do material em comparação com o silício. a As superioresidades do material sic sobre silício mais benéficas listadas na tabela 5.1 são suas campo elétrico de alta quebra, energia bandgap ampla, alta condutividade térmica e alta saturação do portador velocidade. os benefícios de desempenho do dispositivo elétrico que cada uma dessas propriedades permite são discutidos na próxima seção, assim como os benefícios no nível do sistema habilitados por dispositivos sic aprimorados.
duas das vantagens mais benéficas oferecidas pela eletrônica baseada em sic são nas áreas de alta temperatura e operação do dispositivo de alta potência. a física do dispositivo sic específico que permite alta temperatura e capacidades de alta potência serão examinadas em primeiro lugar, seguidas por vários exemplos de melhorias de desempenho que esses recursos aprimorados permitem.
a ampla energia bandgap e a baixa concentração intrínseca de portadores de sic permitem manter comportamento de semicondutores a temperaturas muito mais altas do que o silício, que por sua vez permite o semicondutor sic funcionalidade do dispositivo a temperaturas muito mais altas que o silício. como discutido em básico semicondutores de livros eletrônicos da física do dispositivo eletrônico, função dos dispositivos eletrônicos do semicondutor na faixa de temperatura onde os transportadores intrínsecos são insignificantes, de modo que a condutividade é controlada por introduziu intencionalmente impurezas dopantes. Além disso, a concentração intrínseca de portadores é um pré-fator fundamental para equações conhecidas que governam o vazamento de polarização reversa indesejada da junção correntes. À medida que a temperatura aumenta, os portadores intrínsecos aumentam exponencialmente, de modo que o vazamento indesejado correntes crescem inaceitavelmente grandes e, eventualmente, a temperaturas ainda mais altas, o semicondutor a operação do dispositivo é superada pela condutividade descontrolada, uma vez que os portadores intrínsecos dopings do dispositivo. dependendo do design do dispositivo específico, a concentração intrínseca de portador de silício geralmente confina o funcionamento do dispositivo de silício a temperaturas de junção \u0026 lt; 300 ° c. sic é muito menor concentração de portadora intrínseca teoricamente permite a operação do dispositivo em temperaturas de junção excedendo 800 ° c. O funcionamento a 600 ° c do dispositivo foi demonstrado experimentalmente em uma variedade de dispositivos sic. a capacidade de colocar eletrônicos semicondutores de alta temperatura não refrigerados diretamente em ambientes permitiriam importantes benefícios para a perfuração automotiva, aeroespacial e de poços profundos indústrias. no caso de motores automotivos e aeroespaciais, melhoria da telemetria eletrônica e controle de regiões de alta temperatura do motor são necessários para controlar mais precisamente a combustão processo para melhorar a eficiência de combustível, reduzindo as emissões poluentes. capacidade de alta temperatura elimina penalidades de desempenho, confiabilidade e peso associadas ao resfriamento por líquido, ventiladores, blindagem, e cabos mais longos necessários para realizar uma funcionalidade similar em motores usando eletrônica de semicondutor de silício.
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