تفاوت بین کریستال های SiC با ساختارهای مختلف

کاربید سیلیکون (SiC)ماده ای است که دارای پایداری حرارتی، فیزیکی و شیمیایی استثنایی است و خواصی فراتر از مواد معمولی دارد. رسانایی حرارتی آن 84W/(m·K) شگفت‌انگیز است که نه تنها بالاتر از مس است، بلکه سه برابر سیلیکون است. این نشان دهنده پتانسیل عظیم آن برای استفاده در برنامه های مدیریت حرارتی است. فاصله باند SiC تقریباً سه برابر سیلیکون است و قدرت میدان الکتریکی شکست آن مرتبه‌ای بالاتر از سیلیکون است. این بدان معنی است که SiC می تواند قابلیت اطمینان و کارایی بالاتری را در کاربردهای ولتاژ بالا ارائه دهد. علاوه بر این، SiC هنوز هم می تواند هدایت الکتریکی خوبی را در دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد حفظ کند، که قابل مقایسه با گرافیت است. این باعث می شود که در محیط های با دمای بالا به یک ماده نیمه هادی ایده آل تبدیل شود. مقاومت در برابر خوردگی SiC نیز بسیار برجسته است. لایه نازک SiO2 تشکیل شده بر روی سطح آن به طور موثری از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند و آن را در برابر تقریباً تمام عوامل خورنده شناخته شده در دمای اتاق مقاوم می کند. این امر کاربرد آن را در محیط های سخت تضمین می کند.

از نظر ساختار کریستالی، تنوع SiC در بیش از 200 شکل کریستالی مختلف آن منعکس می‌شود، این ویژگی به روش‌های متنوعی نسبت داده می‌شود که در آن اتم‌ها به صورت متراکم در کریستال‌های آن بسته‌بندی می‌شوند. اگرچه اشکال کریستالی زیادی وجود دارد، اما این اشکال کریستالی را می توان تقریباً به دو دسته تقسیم کرد: β-SiC با ساختار مکعبی (ساختار مخلوط روی) و α-SiC با ساختار شش ضلعی (ساختار wurtzite). این تنوع ساختاری نه تنها خواص فیزیکی و شیمیایی SiC را غنی می کند، بلکه در طراحی و بهینه سازی مواد نیمه هادی مبتنی بر SiC، انتخاب ها و انعطاف پذیری بیشتری را برای محققان فراهم می کند.

در میان بسیاری از اشکال کریستال SiC، رایج ترین آنها عبارتند از3C-SiC، 4H-SiC، 6H-SiC و 15R-SiC. تفاوت بین این اشکال کریستالی عمدتاً در ساختار کریستالی آنها منعکس می شود. 3C-SiC، همچنین به عنوان کاربید سیلیکون مکعبی شناخته می شود، ویژگی های یک ساختار مکعبی را نشان می دهد و ساده ترین ساختار در بین SiC است. SiC با ساختار شش ضلعی را می توان با توجه به ترتیبات اتمی مختلف به 2H-SiC، 4H-SiC، 6H-SiC و انواع دیگر تقسیم کرد. این طبقه بندی ها نحوه بسته بندی اتم ها در داخل کریستال و همچنین تقارن و پیچیدگی شبکه را منعکس می کند.

شکاف باند یک پارامتر کلیدی است که محدوده دما و سطح ولتاژی را که مواد نیمه هادی می توانند در آن کار کنند را تعیین می کند. در میان چندین شکل کریستالی SiC، 2H-SiC دارای بالاترین عرض باند 3.33 eV است که نشان دهنده پایداری و عملکرد عالی آن در شرایط شدید است. 4H-SiC از نزدیک دنبال می شود، با عرض باند 3.26 eV. 6H-SiC دارای گپ باند کمی کمتر از 3.02 eV است، در حالی که 3C-SiC دارای کمترین گپ باند 2.39 eV است که باعث می شود در دماها و ولتاژهای پایین تر مورد استفاده قرار گیرد.

جرم موثر سوراخ ها عامل مهمی است که بر تحرک سوراخ مواد تأثیر می گذارد. جرم موثر سوراخ 3C-SiC 1.1m0 است که نسبتا کم است و نشان می دهد که تحرک سوراخ آن خوب است. جرم موثر سوراخ 4H-SiC 1.75m0 در صفحه پایه ساختار شش ضلعی و 0.65m0 در حالت عمود بر صفحه پایه است که تفاوت خواص الکتریکی آن را در جهات مختلف نشان می دهد. جرم موثر سوراخ 6H-SiC مشابه جرم 4H-SiC است، اما به طور کلی کمی کمتر است که بر تحرک حامل آن تأثیر می گذارد. جرم موثر الکترون بسته به ساختار کریستالی خاص در محدوده 0.25-0.7m0 متفاوت است.

تحرک حامل اندازه گیری سرعت حرکت الکترون ها و حفره ها در یک ماده است. 4H-SiC در این زمینه عملکرد خوبی دارد. حفره و تحرک الکترون آن به طور قابل توجهی بالاتر از 6H-SiC است که باعث عملکرد بهتر 4H-SiC در دستگاه های الکترونیکی قدرت می شود.

از منظر عملکرد جامع، هر شکل کریستالی ازSiCمزایای منحصر به فرد خود را دارد. 6H-SiC به دلیل پایداری ساختاری و خواص درخشندگی خوب برای ساخت دستگاه های الکترونیک نوری مناسب است.3C-SiCبه دلیل سرعت رانش الکترون اشباع بالا برای دستگاه های با فرکانس بالا و توان بالا مناسب است. 4H-SiC به دلیل تحرک بالای الکترون، مقاومت کم و چگالی جریان بالا به گزینه ای ایده آل برای دستگاه های الکترونیکی قدرت تبدیل شده است. در واقع، 4H-SiC نه تنها ماده نیمه هادی نسل سوم با بهترین عملکرد، بالاترین درجه تجاری سازی، و پیشرفته ترین فناوری است، بلکه ماده ترجیحی برای تولید دستگاه های نیمه هادی قدرتی در فشار بالا و پرفشار است. محیط های مقاوم در برابر حرارت و تشعشع