سیلیسیم کاربید | یک بازیگر کلیدی در صنعت نیمه هادی

سیلیسیم کاربید یک ماده جامد خاکستری رنگ و پایه نیمه هادی می باشد که از سیلیکون و کربن خالص تشکیل شده است. شما می توانید این ترکیب را با نیتروژن یا فسفر برای ایجاد یک نیمه هادی نوع n یا استفاده از بریلیم، بور، آلومینیوم یا گالیم برای ایجاد یک نیمه هادی نوع p مورد استفاده قرار دهید.

در حالی که انواع و خلوص های زیادی از کاربید سیلیکون وجود دارد و با خاصیت نیمه رسانا در چند دهه گذشته فقط برای استفاده در این زمینه روی کار آمده است و ترکیبی بسیار سخت می باشد.

از اواخر قرن ۱۹ میلادی سیلیکون کاربید یک ماده مهم برای کاغذ سنباده، چرخ های سنگ زنی و ابزار برش بوده است و اخیراً، در پوشش های نسوز و عناصر گرمایش کوره های صنعتی، در قطعات مقاوم در برابر سایش برای پمپ ها، موتورهای موشک و در بسترهای نیمه رسانا برای دیودهای ساطع کننده نور کاربرد پیدا کرده است.

خواص و مشخصات شناسایی

خواص	مشخصات
شکل فیزیکی                             جامد کریستالی خاکستری	فرمول شیمیایی                                                       CSi
دانسیته (هگزاگونال)                                       (g/cm۳)۳/۱۶	وزن مولکولی                                          (g/mol)40/096
نقطه ذوب (تخریب ساختار)                                    (۰C) 2830	شماره (CAS No)                                            ۴۰۹-۲۱-۲
حلالیت در آب                                                      نامحلول	ساختار کریستالی                              مکعبی و هگزاگونال

سیلیکون کاربید در حدود ۲۵۰ شکل کریستالی وجود دارد و البته از طریق پیرولیز اتمسفر بی اثر پلیمرهای پیش سرامیکی، به شکل آمورف شیشه ای نیز تولید می شود. پلی مورفیسم SiC توسط یک خانواده بزرگ از ساختارهای بلوری مشابه به نام پلی تایپ مشخص می شود.

آنها تغییرات همان ترکیب شیمیایی هستند که در دو بعد یکسان هستند و در بعد سوم متفاوت هستند. بنابراین، می توان آنها را به عنوان لایه هایی که در یک دنباله خاص قرار گرفته اند، مشاهده کرد.

آلفا سیلیکون کاربید (α-SiC) شایع ترین پلی مورف است و در دمای بیش از ۱۷۰۰ درجه سانتی گراد تشکیل شده و دارای ساختار بلوری شش ضلعی (مشابه ورتزیت) است. اصلاح بتا (β-SiC)، با ساختار بلوری روی (شبیه الماس)، در دمای زیر ۱۷۰۰ درجه سانتی گراد شکل می گیرد.

تا همین اواخر، شکل بتا کاربردهای تجاری نسبتاً کمی داشت، اگرچه در حال حاضر علاقه زیادی به استفاده از آن به عنوان پشتیبانی از کاتالیزورهای ناهمگن به دلیل مساحت بیشتر آن در مقایسه با فرم آلفا وجود دارد.

تاریخچه کشف کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون توسط مخترع آمریکایی Edward G. Acheson در سال ۱۸۹۱ کشف شد. او هنگام تلاش برای تولید الماس مصنوعی، مخلوطی از خاک رس و کک پودر شده را در یک کاسه آهنی گرم کرد و کاسه و یک چراغ قوس کربنی معمولی به عنوان الکترود استفاده می کرد.

در هنگام کار کریستال های سبز روشن را که به الکترود کربن متصل شده بودند، توجه او را به خود جلب کردند و تصور کرد که ترکیب جدیدی از کربن و آلومینا را از خاک تهیه کرده است. وی این ترکیب جدید را Carborundum نامید زیرا فرم معدنی طبیعی آلومینا کراندوم نامیده می شود.

آچسون دریافت که کریستال ها سختی الماس را تقریبن دارند و بلافاصله به اهمیت کشف خود پی برد، و برای ثبت اختراع به ایالات متحده درخواست زد. محصول اولیه او در ابتدا برای کار بر روی سنگ های قیمتی عرضه می شد و با قیمتی قابل مقایسه با گرد و غبار طبیعی الماس به فروش می رسید. این ترکیب جدید که از مواد اولیه ارزان و با بازدهی خوب بدست می آمد، به زودی به یک ساینده صنعتی مهم تبدیل شد.

روش های تولید سیلیسیم کاربید

ساده ترین روش تولید کاربید سیلیکون شامل ذوب ماسه و کربن سیلیس مانند ذغال سنگ در دمای بالا تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد است. نمونه های تیره تر و رایج تر از کاربید سیلیکون اغلب شامل ناخالصی های آهن و کربن هستند، اما کریستال های خالص SiC بی رنگ هستند و هنگامی که دما تا ۲۷۰۰ درجه سانتیگراد بالا می رود تشکیل می شوند.

این کریستال ها پس از گرم شدن، بر روی گرافیت در دمای سردتر و در فرآیندی موسوم به روش لیلی رسوب می کنند. هر دو روش تولید سیلیکون کاربیدکه در زیر آمده اند، به مقدار زیادی انرژی، تجهیزات و دانش برای موفقیت نیاز دارند.

– روش Lely: طی این فرآیند، یک بوته گرانیت در دمای بسیار بالا، معمولاً از طریق القاء، تا تصفیه پودر کاربید سیلیکون گرم می شود. یک میله گرافیت با دمای پایین تر در مخلوط گازی معلق است، که ذاتاً به کاربید سیلیکون خالص اجازه می دهد تا رسوب کرده و کریستال تشکیل دهد.

– رسوب بخار شیمیایی: متناوباً، تولید کنندگان، SiC مکعبی را با استفاده از رسوب شیمیایی بخار، که معمولاً در فرایندهای سنتز کربن استفاده می شود و در صنایع نیمه هادی استفاده می شود، رشد می دهند. در این روش، یک ترکیب شیمیایی تخصصی از گازها وارد محیط خلاء شده و قبل از رسوب گذاری روی یک بستر ترکیب می شوند.

چرا کاربید سیلیکون مفید و پرکاربرد است؟

از لحاظ تاریخی، تولید کنندگان از سیلیسیم کاربید در تنظیمات درجه حرارت بالا برای دستگاه هایی مانند بلبرینگ، اجزای ماشین آلات گرمایش، ترمز خودرو و حتی ابزار تیز کردن چاقو استفاده می کنند. در کاربردهای الکترونیکی و نیمه هادی، مزایای اصلی مزایای SiC عبارتند از:

۱) هدایت حرارتی بالا (W/mK) 270-120

۲) ضریب انبساط گرمایی ۴/0x10^-۶/° C

۳) حداکثر چگالی جریان بالا

این سه ویژگی بالا با همدیگر، هدایت الکتریکی فوق العاده ای را به SiC می دهند، به ویژه در مقایسه با سیلیکون، که به طنز به آن پسر عموی محبوبتر سیلیسیم کاربید گفته می شود. ویژگی های این مواد، آنها را برای کاربردهای قدرت بالا که در آن جریان زیاد، دما و هدایت حرارتی بالا مورد نیاز است بسیار سودمند می سازد. 

در سال های اخیر، SiC به یک بازیگر کلیدی در صنعت نیمه هادی تبدیل شده است، که MOSFET ها، دیودهای Schottky و ماژول های قدرت را برای استفاده در کاربردهای با راندمان بالا مورد استفاده قرار می دهد. این ماده در حالی که گرانتر از MOSFET های سیلیکونی است و معمولاً به ولتاژهای خرابی در ۹۰۰V محدود می شوند، SiC آستانه ولتاژ را نزدیک به ۱۰ کیلوولت مجاز می کند.

سیلیکون کاربید همچنین تلفات سوئیچینگ بسیار پایینی دارد و می تواند فرکانس های عملکرد بالا را پشتیبانی کند، که به آن اجازه می دهد به راندمان های بی نظیری در حال حاضر دست پیدا کند، به ویژه در مواردی که با بیش از ۶۰۰ ولت کار می کنند.

با روش اجرای مناسب، دستگاه های SiC می توانند تلفات سیستم مبدل و اینورتر را تقریباً ۵۰ ، اندازه را ۳۰۰، و هزینه سیستم را تا ۲۰ درصد کاهش دهند. این کاهش در اندازه کلی سیستم به این ماده این توانایی را می دهد که در کاربردهای حساس به وزن و فضا بسیار مفید باشد.

کاربردهای سیلیکون کاربید

بسیاری از تولیدکنندگان در حال استفاده از SiC در زمینه هایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های انرژی خورشیدی و مراکز داده هستند. این سیستم های کارآمد گرا همه منجر به ولتاژ بالا و درجه حرارت بالا می شوند.

SiC در صنعت خودرو به دلیل تقاضای صنعت برای افزایش کیفیت بالا، قابلیت اطمینان و کارایی محبوب شده است. این ماده می تواند نیازهای ولتاژ بالا را با قدرت پاسخ دهد. سیلیکون کاربید این پتانسیل را دارد که با افزایش کارایی کلی سیستم، به ویژه در داخل سیستم اینورتر، مسافت رانندگی خودروهای برقی را افزایش دهد، که ضمن کاهش اندازه و وزن ناشی از سیستم های مدیریت باتری، باعث صرفه جویی کلی در انرژی خودرو می شود.

در صنعت سلول های خورشیدی، بهینه سازی اینورتر فعال شده با SiC نیز نقش زیادی در صرفه جویی و کاهش هزینه ها دارد. استفاده از کاربید سیلیکون در اینورترهای خورشیدی، فرکانس سوئیچینگ سیستم را دو تا سه برابر سیلیکون استاندارد افزایش می دهد. این افزایش فرکانس سوئیچ اجازه می دهد تا مغناطیس مدار کاهش یابد و در نتیجه فضا و هزینه قابل توجهی صرفه جویی شود.

در نتیجه، طرح های اینورتر مبتنی بر کاربید سیلیسیم می توانند تقریباً نصف اندازه و وزن اینورتر مبتنی بر سیلیکون باشند. عامل دیگری که تولیدکنندگان و مهندسان خورشیدی را تشویق می کند تا از SiC نسبت به سایر مواد مانند نیترید گالیم استفاده کنند، دوام و قابلیت اطمینان آن است. که سیستم های خورشیدی را قادر می سازد تا به طول عمر پایداری که برای کار مداوم برای بیش از یک دهه نیاز دارند، دست یابند.

نجات جهان با کاربید سیلیسیم

چندین شرکت کلیدی در فضای کاربید سیلیکون منابع و محصولات فراوانی را با محوریت SiC ارائه می دهند. Cree Wolfspeed انواع محصولات کاربید سیلیکون مانند ماسفت ها، دیودها، AOS-Q101 (خودرو) MOSFET را ارائه می دهند.

این شرکت همچنین بزرگترین تولید کننده لایه های نازک پایه SiC است و آنها را در همه امور متخصص می کند. Cree به گسترش امکان سنجی کاربید سیلیکون و تصویب آن تا سال ۲۰۲۴ اختصاص داده است.

آزمایشگاه های سیلیکون راه حل های جداسازی عالی را ارائه می دهند که به طور خاص با هدف حمایت از طرح های مبتنی بر کاربید سیلیکون در بازار وسایل نقلیه الکترونیکی انجام می شوند.

راه حل های هدف آنها از سیستم های مدیریت باتری گرفته تا اینورترهای کنترل کشش که متکی به توزیع توان فرکانس بالا هستند. سایر شرکت های نیمه هادی، مانند Rohm Semiconductor نیز دارای مجموعه ای بزرگ از محصولات سیلیسیم کاربید از جمله MOSFET های قدرتمند و ماژول های قدرت می باشند.

 

منبع: www.arrow.com