عندما يسمع الناس هذا المصطلحكربيد السيليكون، أوكربيد كربيد، أول ما قد يتبادر إلى ذهنك هو عجلة طحن كربيد السيليكون، المعروفة باسم كاربورندوم. نظرًا لمقاومته الممتازة للتآكل، والصلابة العالية، ومقاومته لدرجات الحرارة العالية، فقد تم استخدام كربيد السيليكون منذ فترة طويلة على نطاق واسع في المواد الكاشطة وأدوات الطحن والمواد المقاومة للحرارة والسيراميك الوظيفي.
ناقشنا في المقال السابق قصة بلورات كربيد السيليكون باعتبارها “أحجار الحب الكريمة”. في هذه المقالة، سوف نركز على كربيد السيليكون باعتبارهمادة أشباه الموصلات.
تعد أشباه الموصلات مكونات أساسية في كل دائرة إلكترونية تقريبًا. شبه الموصل هو نوع خاص من المواد التي تقع موصليتها الكهربائية بين موصل مثل المعدن وعازل مثل السيراميك أو البلاستيك. يمكن أيضًا أن تختلف موصلية أشباه الموصلات اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل أو الشوائب التي يتم إدخالها أثناء عملية التصنيع.
تصنيف المواد حسب التوصيل الكهربائي
بالمعنى الدقيق للكلمة، يتم تحديد الموصلية الكهربائية بواسطةهيكل نطاق الطاقةمن مادة. ولذلك، ينبغي تفسير التعريف القياسي لأشباه الموصلات من منظور نطاقات الطاقة.
كما هو موضح في مخطط نطاق الطاقة للموصلات وأشباه الموصلات والعوازل، يتداخل نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ للموصل. إن فرق الطاقة بين الهياكل الأساسية للنطاقات صغير جدًا، لذلك هناك حاجة إلى كمية صغيرة فقط من الطاقة، مثل المجال الكهربائي الخارجي، لإثارة الإلكترونات في نطاق التوصيل وتشكيل تيار كهربائي اتجاهي.
في المقابل، تحتوي أشباه الموصلات على نطاق محظور، أو فجوة نطاق، بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ. يجب أن تتلقى الإلكترونات طاقة أكبر من فجوة النطاق حتى يتم تحفيزها في نطاق التوصيل. بشكل عام، تتراوح فجوة النطاق لأشباه الموصلات من 0 إلى 6.5 فولت. ومع ذلك، تتمتع العوازل بفجوة نطاقية كبيرة جدًا، عادةً ما تكون في حدود أكثر من 10 فولت، مما يجعل من الصعب جدًا إثارة الإلكترونات في نطاق التوصيل. ونتيجة لذلك، فإن العوازل لا تقوم بتوصيل الكهرباء بسهولة.
وهذا يدل على أن الموصلية الخاصة لأشباه الموصلات، التي تقع بين الموصلات والعوازل، يتم تحديدها من خلال بنية نطاق الطاقة الخاصة بها.
مخطط هيكل نطاق الطاقة
يمكن تصنيع أشباه الموصلات من عناصر نقية، ومن الأمثلة الأكثر شيوعًا السيليكون والجرمانيوم. ويمكن أيضا أن تكون مصنوعة من مواد مركبة، مثلكربيد السيليكون (SiC)وزرنيخيد الغاليوم (GaAs).
كانت أجهزة أشباه الموصلات المبكرة مصنوعة بشكل أساسي من الجرمانيوم. وفي وقت لاحق، أصبح السيليكون مادة أشباه الموصلات الأكثر استخداما على نطاق واسع. ومع ذلك، مع استمرار تطور أداء الأجهزة المعتمدة على السيليكون، فقد اقتربت تدريجيًا من الحدود المادية للسيليكون نفسه. ونتيجة لذلك، تظهر مواد جديدة كمنافس قوي للسيليكون، ويعد كربيد السيليكون أحد أكثر المواد الواعدة من بينها.
دعونا الآن نلقي نظرة على مزايا SiC مقارنة بالسيليكون.
SiC عبارة عن مادة مركبة من أشباه الموصلات تتكون من ذرات الكربون وذرات السيليكون بنسبة 1:1 متكافئة. الوحدة الهيكلية الأساسية لبلورة SiC هي بنية رباعية السطوح، مثل SiC₄ أو CSi₄. في هذا الهيكل الكثيف الكثافة، تشكل أربع ذرات سيليكون رباعي الأسطح، مع وجود ذرة كربون واحدة في المركز.
التركيب الذري لـ SiC
يحدد هيكل المادة خصائصها، وخصائصها تحدد تطبيقاتها. إن التركيب الذري الفريد لـ SiC هو الذي يمنحه خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة.
فيما يلي العديد من الخصائص الرئيسية لـ SiC، بما في ذلك قوة الانهيار الحرجة، وفجوة النطاق، والتوصيل الحراري.
يتمتع SiC بقوة انهيار حرجة عالية جدًا. وهذا يعني أنه يمكنه تحمل الفولتية الأعلى مع الحفاظ على نفس الجهد المقنن وتقليل متطلبات العزل في العبوة. كما أنه يسمح للمكونات بتحقيق جهود حجب يمكن أن تكون أعلى بكثير من تلك الممكنة مع السيليكون، دون زيادة حجم العبوة بشكل كبير.
مصدر الصورة: الإنترنت
واحدة من الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات هيفجوة الطاقة، المعروف أيضًا باسمفجوة الفرقة. يتم قياس فجوة النطاق بالإلكترون فولت، أو eV، حيث يساوي 1 فولت تقريبًا 1.602 × 10⁻¹⁹ جول.
فجوة النطاق لـ SiC على وشك3.26 فولت، في حين أن السيليكون على وشك1.12 فولت. بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات التقليدية مثل السيليكون وGaAs، فإن أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة من الجيل الثالث التي يمثلها SiC تمكن المنتجات الإلكترونية، وخاصة أجهزة الطاقة الإلكترونية، من العمل عند جهد كهربائي أعلى ودرجات حرارة أعلى وترددات أعلى. وهذا يجعل الأجهزة أسرع وأصغر حجمًا وأكثر موثوقية.
مصدر الصورة: الإنترنت
الموصلية الحرارية هي خاصية مهمة للمواد شبه الموصلة. كلما زادت الموصلية الحرارية، كان من الأسهل على أشباه الموصلات تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل.
وهذا يسمح للمكونات المصنوعة من مواد ذات موصلية حرارية جيدة بأن تكون أصغر حجمًا ويحسن الإدارة الحرارية للنظام بأكمله. الموصلية الحرارية لـ SiC تقريبًا430 وات/م·ك، في حين أن السيليكون على وشك150 وات/م·ك.
مصدر الصورة: الإنترنت
لقد ناقشنا بالفعل العديد من تطبيقات SiC، بما في ذلك المواد المقاومة للحرارة والمواد الكاشطة والسيراميك الوظيفي. ومع ذلك، فإن التطبيق الأكثر إثارة لـ SiC يكمن في أدائه كمادة شبه موصلة للطاقة لأجهزة مثلالدوائر المتكاملة منخفضة المقاومةوثنائيات حاجز شوتكي (SBDs).
بفضل قوة الانهيار العالية، وفجوة النطاق الواسعة، والتوصيل الحراري الممتاز، يمكن لـ SiC أن يتفوق على مواد مثل السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم في العديد من التطبيقات الصعبة.
مع استمرار نضوج تقنيات التصنيع، يرتفع كربيد السيليكون بسرعة كنجم جديد واعد في مجال مواد أشباه الموصلات.
عندما يسمع الناس هذا المصطلحكربيد السيليكون، أوكربيد كربيد، أول ما قد يتبادر إلى ذهنك هو عجلة طحن كربيد السيليكون، المعروفة باسم كاربورندوم. نظرًا لمقاومته الممتازة للتآكل، والصلابة العالية، ومقاومته لدرجات الحرارة العالية، فقد تم استخدام كربيد السيليكون منذ فترة طويلة على نطاق واسع في المواد الكاشطة وأدوات الطحن والمواد المقاومة للحرارة والسيراميك الوظيفي.
ناقشنا في المقال السابق قصة بلورات كربيد السيليكون باعتبارها “أحجار الحب الكريمة”. في هذه المقالة، سوف نركز على كربيد السيليكون باعتبارهمادة أشباه الموصلات.
تعد أشباه الموصلات مكونات أساسية في كل دائرة إلكترونية تقريبًا. شبه الموصل هو نوع خاص من المواد التي تقع موصليتها الكهربائية بين موصل مثل المعدن وعازل مثل السيراميك أو البلاستيك. يمكن أيضًا أن تختلف موصلية أشباه الموصلات اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل أو الشوائب التي يتم إدخالها أثناء عملية التصنيع.
تصنيف المواد حسب التوصيل الكهربائي
بالمعنى الدقيق للكلمة، يتم تحديد الموصلية الكهربائية بواسطةهيكل نطاق الطاقةمن مادة. ولذلك، ينبغي تفسير التعريف القياسي لأشباه الموصلات من منظور نطاقات الطاقة.
كما هو موضح في مخطط نطاق الطاقة للموصلات وأشباه الموصلات والعوازل، يتداخل نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ للموصل. إن فرق الطاقة بين الهياكل الأساسية للنطاقات صغير جدًا، لذلك هناك حاجة إلى كمية صغيرة فقط من الطاقة، مثل المجال الكهربائي الخارجي، لإثارة الإلكترونات في نطاق التوصيل وتشكيل تيار كهربائي اتجاهي.
في المقابل، تحتوي أشباه الموصلات على نطاق محظور، أو فجوة نطاق، بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ. يجب أن تتلقى الإلكترونات طاقة أكبر من فجوة النطاق حتى يتم تحفيزها في نطاق التوصيل. بشكل عام، تتراوح فجوة النطاق لأشباه الموصلات من 0 إلى 6.5 فولت. ومع ذلك، تتمتع العوازل بفجوة نطاقية كبيرة جدًا، عادةً ما تكون في حدود أكثر من 10 فولت، مما يجعل من الصعب جدًا إثارة الإلكترونات في نطاق التوصيل. ونتيجة لذلك، فإن العوازل لا تقوم بتوصيل الكهرباء بسهولة.
وهذا يدل على أن الموصلية الخاصة لأشباه الموصلات، التي تقع بين الموصلات والعوازل، يتم تحديدها من خلال بنية نطاق الطاقة الخاصة بها.
مخطط هيكل نطاق الطاقة
يمكن تصنيع أشباه الموصلات من عناصر نقية، ومن الأمثلة الأكثر شيوعًا السيليكون والجرمانيوم. ويمكن أيضا أن تكون مصنوعة من مواد مركبة، مثلكربيد السيليكون (SiC)وزرنيخيد الغاليوم (GaAs).
كانت أجهزة أشباه الموصلات المبكرة مصنوعة بشكل أساسي من الجرمانيوم. وفي وقت لاحق، أصبح السيليكون مادة أشباه الموصلات الأكثر استخداما على نطاق واسع. ومع ذلك، مع استمرار تطور أداء الأجهزة المعتمدة على السيليكون، فقد اقتربت تدريجيًا من الحدود المادية للسيليكون نفسه. ونتيجة لذلك، تظهر مواد جديدة كمنافس قوي للسيليكون، ويعد كربيد السيليكون أحد أكثر المواد الواعدة من بينها.
دعونا الآن نلقي نظرة على مزايا SiC مقارنة بالسيليكون.
SiC عبارة عن مادة مركبة من أشباه الموصلات تتكون من ذرات الكربون وذرات السيليكون بنسبة 1:1 متكافئة. الوحدة الهيكلية الأساسية لبلورة SiC هي بنية رباعية السطوح، مثل SiC₄ أو CSi₄. في هذا الهيكل الكثيف الكثافة، تشكل أربع ذرات سيليكون رباعي الأسطح، مع وجود ذرة كربون واحدة في المركز.
التركيب الذري لـ SiC
يحدد هيكل المادة خصائصها، وخصائصها تحدد تطبيقاتها. إن التركيب الذري الفريد لـ SiC هو الذي يمنحه خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة.
فيما يلي العديد من الخصائص الرئيسية لـ SiC، بما في ذلك قوة الانهيار الحرجة، وفجوة النطاق، والتوصيل الحراري.
يتمتع SiC بقوة انهيار حرجة عالية جدًا. وهذا يعني أنه يمكنه تحمل الفولتية الأعلى مع الحفاظ على نفس الجهد المقنن وتقليل متطلبات العزل في العبوة. كما أنه يسمح للمكونات بتحقيق جهود حجب يمكن أن تكون أعلى بكثير من تلك الممكنة مع السيليكون، دون زيادة حجم العبوة بشكل كبير.
مصدر الصورة: الإنترنت
واحدة من الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات هيفجوة الطاقة، المعروف أيضًا باسمفجوة الفرقة. يتم قياس فجوة النطاق بالإلكترون فولت، أو eV، حيث يساوي 1 فولت تقريبًا 1.602 × 10⁻¹⁹ جول.
فجوة النطاق لـ SiC على وشك3.26 فولت، في حين أن السيليكون على وشك1.12 فولت. بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات التقليدية مثل السيليكون وGaAs، فإن أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة من الجيل الثالث التي يمثلها SiC تمكن المنتجات الإلكترونية، وخاصة أجهزة الطاقة الإلكترونية، من العمل عند جهد كهربائي أعلى ودرجات حرارة أعلى وترددات أعلى. وهذا يجعل الأجهزة أسرع وأصغر حجمًا وأكثر موثوقية.
مصدر الصورة: الإنترنت
الموصلية الحرارية هي خاصية مهمة للمواد شبه الموصلة. كلما زادت الموصلية الحرارية، كان من الأسهل على أشباه الموصلات تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل.
وهذا يسمح للمكونات المصنوعة من مواد ذات موصلية حرارية جيدة بأن تكون أصغر حجمًا ويحسن الإدارة الحرارية للنظام بأكمله. الموصلية الحرارية لـ SiC تقريبًا430 وات/م·ك، في حين أن السيليكون على وشك150 وات/م·ك.
مصدر الصورة: الإنترنت
لقد ناقشنا بالفعل العديد من تطبيقات SiC، بما في ذلك المواد المقاومة للحرارة والمواد الكاشطة والسيراميك الوظيفي. ومع ذلك، فإن التطبيق الأكثر إثارة لـ SiC يكمن في أدائه كمادة شبه موصلة للطاقة لأجهزة مثلالدوائر المتكاملة منخفضة المقاومةوثنائيات حاجز شوتكي (SBDs).
بفضل قوة الانهيار العالية، وفجوة النطاق الواسعة، والتوصيل الحراري الممتاز، يمكن لـ SiC أن يتفوق على مواد مثل السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم في العديد من التطبيقات الصعبة.
مع استمرار نضوج تقنيات التصنيع، يرتفع كربيد السيليكون بسرعة كنجم جديد واعد في مجال مواد أشباه الموصلات.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
हिन्दी
Türkçe
indonesia
tiếng Việt
ไทย
বাংলা
فارسی
polski