زندگی گذشته کاربید سیلیکون را درک کنید!

کاربید سیلیکون (SiC) در دمای بالا در یک کوره مقاومتی با استفاده از ماسه کوارتز، کک نفتی (یا کک زغال سنگ) و خرده‌های چوب به عنوان مواد خام ذوب می‌شود. کاربید سیلیکون نیز در طبیعت به عنوان یک ماده معدنی کمیاب، موسانیت وجود دارد. کاربید سیلیکون نیز موسانیت نامیده می شود. در میان مواد خام نسوز با تکنولوژی پیشرفته غیر اکسیدی معاصر مانند C، N و B، کاربید سیلیکون پرمصرف ترین و مقرون به صرفه ترین است. می توان آن را شن سنباده یا ماسه نسوز نامید.

1. زندگی گذشته و حال کاربید سیلیکون
کاربید سیلیکون به دلیل خواص شیمیایی پایدار، هدایت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و مقاومت به سایش خوب، علاوه بر استفاده به عنوان ساینده، کاربردهای دیگری نیز دارد، مانند پوشش دادن پودر کاربید سیلیکون با فرآیندی خاص بر روی دیواره داخلی پروانه توربین یا بلوک سیلندر، می تواند مقاومت در برابر سایش خود را بهبود بخشد و عمر مفید خود را 1 تا 2 برابر افزایش دهد. مواد نسوز پیشرفته ساخته شده از آن مقاوم در برابر شوک حرارتی، اندازه کوچک، سبک وزن، استحکام بالا و اثر صرفه جویی در انرژی خوبی است. کاربید سیلیکون با عیار پایین (حاوی حدود 85٪ SiC) یک اکسید کننده عالی است. می تواند فولادسازی را سرعت بخشد، کنترل ترکیب شیمیایی را تسهیل کند و کیفیت فولاد را بهبود بخشد. علاوه بر این، کاربید سیلیکون نیز به طور گسترده در تولید میله های کاربید سیلیکون برای عناصر گرمایش الکتریکی استفاده می شود.
کاربید سیلیکون بسیار سخت است، با سختی Mohs 9.5، پس از سخت ترین الماس جهان (سطح 10) در رتبه دوم قرار دارد. رسانایی حرارتی عالی دارد، نیمه هادی است و می تواند در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا مقاومت کند.

2. ویژگی های سودمند دستگاه های کاربید سیلیکون
کاربید سیلیکون (SiC) در حال حاضر بالغ ترین ماده نیمه هادی با فاصله باند گسترده است. کشورهای سراسر جهان اهمیت زیادی به تحقیقات SiC می دهند و نیروی انسانی و منابع مادی زیادی را برای توسعه فعال سرمایه گذاری کرده اند. ایالات متحده، اروپا، ژاپن و غیره نه تنها برنامه های تحقیقاتی مربوطه در سطح ملی تدوین شده است، و برخی از غول های الکترونیک بین المللی نیز سرمایه گذاری زیادی در توسعه دستگاه های نیمه هادی کاربید سیلیکون کرده اند.
در مقایسه با سیلیکون معمولی، اجزای با استفاده از کاربید سیلیکون دارای ویژگی های زیر هستند:

مشخصات ولتاژ بالا:
مقاومت ولتاژ دستگاه های کاربید سیلیکون 10 برابر دستگاه های سیلیکونی معادل است.
مقاومت ولتاژ لوله های شاتکی کاربید سیلیکون می تواند به 2400 ولت برسد.
لوله های اثر میدان کاربید سیلیکون می توانند ولتاژهای ده ها هزار ولت را تحمل کنند و مقاومت آنها در حالت خیلی زیاد نیست.

ویژگی های فرکانس بالا:

ویژگی های دمای بالا:
امروزه، زمانی که مواد Si نزدیک به حد عملکرد نظری هستند، دستگاه‌های قدرت SiC همیشه به عنوان «دستگاه‌های ایده‌آل» در نظر گرفته می‌شوند و به دلیل ولتاژ مقاومت بالا، تلفات کم، راندمان بالا و ویژگی‌های دیگر، بسیار مورد انتظار هستند. با این حال، در مقایسه با دستگاه‌های قبلی مواد Si، تعادل بین عملکرد و هزینه دستگاه‌های قدرت SiC و تقاضای آن‌ها برای فن‌آوری بالا کلید اصلی این خواهد بود که آیا دستگاه‌های قدرت SiC واقعاً می‌توانند محبوب شوند یا خیر.

در حال حاضر دستگاه های کاربید سیلیکون کم مصرف از آزمایشگاه وارد مرحله تولید دستگاه عملی شده اند. در حال حاضر قیمت ویفرهای سیلیکون کاربید همچنان نسبتاً بالاست و همچنین دارای ایرادات زیادی هستند. از طریق تحقیق و توسعه مداوم، انتظار می‌رود که دستگاه‌های کاربید سیلیکون تا حدود سال 2010 بر بازار دستگاه‌های قدرت تسلط پیدا کنند. اما اینطور نیست.

3. در حال حاضر وضعیت توسعه دستگاه های کاربید سیلیکون چگونه است؟
1. پارامترهای فنی: مثلاً ولتاژ دیود شاتکی از 250 ولت به بیش از 1،{3}} ولت افزایش می‌یابد، سطح تراشه کوچک‌تر است، اما جریان فقط چند ده آمپر است. دمای کار به 180 درجه افزایش یافته است که با معرفی 600 درجه فاصله زیادی دارد. افت ولتاژ حتی رضایت بخش تر است، هیچ تفاوتی با مواد سیلیکونی ندارد و افت ولتاژ بالا باید به 2 ولت برسد.
2. قیمت بازار: حدود 5 تا 6 برابر تولید مواد سیلیکونی.

4. چه مشکلاتی در توسعه کاربید سیلیکون وجود دارد (SiC ) دستگاه ها؟مشکل در توسعه دستگاه های کاربید سیلیکون، طراحی اصلی تراشه، به ویژه طراحی ساختار تراشه نیست. حل آن سخت نیست. دشواری در تحقق فرآیند ساخت ساختار تراشه نهفته است. نمونه ها به شرح زیر است: 1. تراکم نقص میکرولوله ویفرهای کاربید سیلیکون. 2. راندمان فرآیند اپیتاکسیال کم است. 3. فرآیند دوپینگ الزامات خاصی دارد.

4. تولید کنتاکت اهمی. 5. مقاومت در برابر حرارت مواد حمایت کننده.

موارد بالا فقط چند نمونه هستند، نه همه. هنوز بسیاری از مشکلات فرآیندی وجود دارد که هیچ راه حل ایده آلی ندارند، مانند فرآیند ترانچینگ سطح نیمه هادی کاربید سیلیکون، فرآیند غیرفعال سازی ترمینال، و تاثیر وضعیت رابط لایه اکسید دروازه بر پایداری طولانی مدت دستگاه های ماسفت کاربید سیلیکون. آیا صنعت هنوز به اجماع رسیده است؟ نتیجه گیری های ثابت و غیره تا حد زیادی مانع توسعه سریع دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون شده است.

5. مروری بر توسعه زمینه های اصلی کاربرد کاربید سیلیکون

در حال حاضر، نسل سوم مواد نیمه هادی، انقلابی در انرژی پاک و نسل جدیدی از فناوری اطلاعات الکترونیکی ایجاد کرده است. خواه روشنایی، لوازم خانگی، تجهیزات الکترونیکی مصرفی، وسایل نقلیه انرژی جدید، شبکه های هوشمند، یا تجهیزات نظامی، این نیمه هادی های با کارایی بالا موادی هستند که تقاضای زیادی دارند. با توجه به توسعه نیمه هادی های نسل سوم، کاربردهای اصلی آن روشنایی نیمه هادی، دستگاه های الکترونیکی قدرت، لیزرها و آشکارسازها و چهار زمینه دیگر است.
1. روشنایی نیمه هادی
در میان چهار زمینه کاربردی، صنعت روشنایی نیمه هادی سریع ترین توسعه را داشته و مقیاس صنعتی ده ها میلیارد دلاری را تشکیل داده است.
2. دستگاه های الکترونیکی قدرت
در زمینه الکترونیک قدرت، استفاده از نیمه هادی های باندگپ گسترده به تازگی آغاز شده است و اندازه بازار تنها چند صد میلیون دلار آمریکا است. کاربرد آن عمدتاً در زمینه تجهیزات نظامی پیشرفته متمرکز است و به تدریج در حال گسترش به حوزه غیرنظامی است.
3. لیزر و آشکارساز
در زمینه کاربردهای لیزر و آشکارساز، لیزرهای مبتنی بر GaN می توانند طیف گسترده ای را پوشش دهند و تولید لیزرهای آبی، سبز و فرابنفش و تشخیص اشعه ماوراء بنفش را محقق کنند.
4. برنامه های کاربردی دیگر
در زمینه تحقیقات پیشرفته، نیمه هادی های باندگپ گسترده را می توان در سلول های خورشیدی، حسگرهای زیستی، رسانه های تولید هیدروژن مبتنی بر آب و سایر کاربردهای نوظهور استفاده کرد. در حال حاضر این مناطق گرم هنوز در مرحله تحقیق و توسعه آزمایشگاهی هستند.