2020-03-17
2020-03-09
Los dispositivos y circuitos electrónicos semiconductores basados en carburo de silicio (sic) se están desarrollando actualmente para uso en condiciones de alta temperatura, alta potencia y alta radiación bajo las cuales los semiconductores convencionales no puede realizar adecuadamente. la capacidad del carburo de silicio para funcionar en condiciones tan extremas se espera que permita mejoras significativas en una gran variedad de aplicaciones y sistemas. estos van desde la conmutación de alta tensión muy mejorada para el ahorro de energía en la energía eléctrica pública distribución y motor eléctrico conduce a electrónica de microondas más potente para radar y comunicaciones a sensores y controles para un avión a reacción y un automóvil más eficientes en el consumo de combustible y más limpio motores. en el área particular de los dispositivos de poder, las evaluaciones teóricas han indicado que sic Los rectificadores de potencia del mosfet y del diodo funcionarían en rangos de temperatura y voltaje más altos, características de conmutación superiores y, sin embargo, tienen tamaños de matriz casi 20 veces más pequeños que los correspondientes dispositivos clasificados basados en silicio. Sin embargo, estas tremendas ventajas teóricas aún no se han difundido ampliamente. realizado en dispositivos sic disponibles comercialmente, principalmente debido al hecho de que sic es relativamente inmaduro las tecnologías de crecimiento de cristal y fabricación de dispositivos aún no están suficientemente desarrolladas al grado requerido para una incorporación confiable en la mayoría de los sistemas electrónicos. este capítulo examina brevemente la tecnología electrónica de semiconductores sic. en particular, las diferencias (bueno y malo) entre la tecnología electrónica sic y la conocida tecnología vlsi de silicio están resaltados. los beneficios de rendimiento proyectado de la electrónica sic se destacan para varios de gran escala aplicaciones. crecimiento clave de cristales y problemas de fabricación de dispositivos que actualmente limitan el rendimiento y capacidad de electrónica sic de alta temperatura y alta potencia se identifican.
Los materiales de carburo de silicio (sic) actualmente se metamorfosean desde la investigación y el desarrollo hasta convertirse en un producto de fabricación impulsado por el mercado. Los sustratos sic se utilizan actualmente como base para una gran fracción de la producción mundial de diodos emisores de luz (leds) verdes, azules y ultravioletas. Los mercados emergentes para la homoepitaxia sic incluyen dispositivos de conmutación de alta potencia y dispositivos de microondas para s y x banda. las aplicaciones para estructuras basadas en gan heteroepitaxial sobre sustratos sic incluyen leds y dispositivos de microondas. Estos resultados emocionantes del dispositivo se derivan principalmente de la explotación de las propiedades eléctricas y termofísicas únicas que ofrece sic en comparación con si y gaas. entre ellos se encuentran: un gran intervalo de banda para operación a alta temperatura y resistencia a la radiación; alto campo de degradación crítica para salida de alta potencia; alta velocidad de electrones saturados para operación de alta frecuencia; conductividad térmica significativamente más alta para el manejo térmico de dispositivos de alta potencia.
El carburo de silicio se encuentra en muchas estructuras cristalinas diferentes, llamadas politipos. a pesar del hecho de que todos los politipos sic consisten químicamente en 50% de átomos de carbono unidos covalentemente con 50% de átomos de silicio, cada politipo sic tiene su propio conjunto distinto de propiedades semiconductoras eléctricas. mientras que hay más de 100 polytypes de sic conocidos, solo unos pocos se cultivan comúnmente en una forma reproducible aceptable para su uso como un semiconductor electrónico. los politipos más comunes de sic que actualmente se desarrollan para la electrónica son 3c-sic, 4h-sic y 6h-sic. la estructura cristalina atómica de los dos politipos más comunes se muestra en la sección transversal esquemática de la figura. como se discute mucho más a fondo en las referencias 9 y 10, los diferentes politipos de sic están compuestos de diferentes secuencias de apilamiento de bicapas si-c (también llamadas capas dobles si-c), donde cada bicapa si-c individual se denota por el punteado cajas en figura. cada átomo dentro de una bicapa tiene tres enlaces químicos covalentes con otros átomos en la misma (su propia) bicapa, y solo un enlace a un átomo en una bicapa adyacente. la figura 5.1a muestra la bicapa de la secuencia de apilamiento del politotipo 4h-sic, que requiere cuatro bicapas si-c para definir la distancia de repetición de celda unitaria a lo largo de la dirección de apilamiento del eje c (indicada por los índices de miliamperio). de forma similar, el politotipo 6h-sic repite su secuencia de apilamiento cada seis bicapas en todo el cristal a lo largo de la dirección de apilamiento. La dirección representada en la figura a menudo se denomina una de (junto con) las direcciones del eje a. sic es un semiconductor polar a través del eje c, en el que una superficie normal al eje c termina con átomos de silicio, mientras que la superficie opuesta del eje c normal termina con átomos de carbono. como se muestra, estas superficies se denominan típicamente superficies de "cara de silicio" y "cara de carbón", respectivamente. los átomos a lo largo del borde izquierdo o derecho de la figura residirían en el plano de la superficie del cristal "a-face", normal a la dirección. 3c-sic, también conocido como β-sic, es la única forma de sic con una estructura de red cristalina cúbica. los politipos no cúbicos de sic a veces se denominan ambiguamente como α-sic. 4h-sic y 6h-sic son solo dos de los muchos politipos sic posibles con estructura de cristal hexagonal. de manera similar, 15r-sic es el más común de los muchos politipos sic posibles con una estructura de cristal romboédrica.
debido a la diferente disposición de los átomos si y c dentro de la red cristalina sic, cada politipo sic exhibe propiedades eléctricas y ópticas fundamentales únicas. algunos de los semiconductores más importantes las propiedades eléctricas de los politipos sic 3c, 4h y 6h se dan en la tabla 5.1. mucho más las propiedades eléctricas detalladas se pueden encontrar en las referencias 11-13 y las referencias en el mismo. incluso dentro de un dado polytype, algunas propiedades eléctricas importantes son nonisotropic, en que son funciones fuertes de la dirección cristalográfica del flujo de corriente y del campo eléctrico aplicado (por ejemplo, movilidad electrónica) para 6h-sic). las impurezas dopantes en sic pueden incorporarse en sitios energéticamente no equitativos. mientras todo las energías de ionización dopante asociadas con varios sitios de incorporación de dopantes normalmente deberían ser considerada con la máxima precisión, la tabla 5.1 enumera solo las energías de ionización más superficiales reportadas de cada impureza.
El carburo de silicio se encuentra en muchas estructuras cristalinas diferentes, llamadas politipos. un más completo introducción a cristalografía sic y politipo se puede encontrar en la referencia 9. a pesar del hecho de que todos los politipos sic consisten químicamente en 50% de átomos de carbono unidos covalentemente con 50% de átomos de silicio, cada politipo sic tiene su propio conjunto distinto de propiedades semiconductoras eléctricas. mientras hay más 100 polytypes conocidos de sic, solamente algunos se crecen comúnmente en una forma reproducible aceptable para el uso como un semiconductor electrónico. los politipos más comunes de sic que se están desarrollando actualmente para Los componentes electrónicos son 3c-sic, 4h-sic y 6h-sic. la estructura cristalina atómica de los dos más comunes polytypes se muestra en la sección transversal esquemática en la figura 5.1. como se discutió mucho más a fondo en referencias 9 y 10, los diferentes politipos de sic están compuestos de diferentes secuencias de apilamiento de bicapas si-c (también llamadas capas dobles si-c), donde cada bicapa simple si-c se denota por el punteado cuadros en la figura 5.1. cada átomo dentro de una bicapa tiene tres enlaces químicos covalentes con otros átomos en la misma (su propia) bicapa, y solo un enlace a un átomo en una bicapa adyacente. la figura 5.1a muestra el bicapa de la secuencia de apilamiento del politipo 4h-sic, que requiere cuatro bicapas si-c para definir la unidad distancia de repetición de célula a lo largo de la dirección de apilamiento del eje c (indicada por índices de miliar). similar, el politotipo 6h-sic ilustrado en la figura 5.1b repite su secuencia de apilamiento cada seis bicapas en todo el cristal a lo largo de la dirección de apilamiento. el La dirección representada en la figura 5.1 a menudo se conoce como una de (junto con ) las direcciones del eje a. sic es un semiconductor polar en el eje c, en esa superficie normal al eje c termina con átomos de silicio mientras que la superficie opuesta normal del eje c se termina con átomos de carbono. como se muestra en la figura 5.1a, estas superficies se conocen típicamente como Superficies de \"cara de silicio\" y \"cara de carbono\", respectivamente. átomos a lo largo del borde izquierdo o derecho de la figura 5.1a residiría en la superficie del cristal \"a-face\" plano normal a la dirección. 3c-sic, también conocido como β-sic, es la única forma de sic con una estructura de red cristalina cúbica. los politipos no cúbicos de sic a veces se denomina ambiguamente como α-sic. 4h-sic y 6h-sic son solo dos de los muchos. figura 5.1 representaciones esquemáticas de cortes transversales de (a) estructura cristalina atómica 4h-sic y (b) 6h-sic, mostrando importantes direcciones y superficies cristalográficas. posibles politipos sic con estructura de cristal hexagonal. Del mismo modo, 15r-sic es el más común de los muchos posibles politipos sic con una estructura de cristal romboédrica....
debido a la diferente disposición de los átomos si y c dentro de la red cristalina sic, cada politipo sic exhibe propiedades eléctricas y ópticas fundamentales únicas. algunos de los semiconductores más importantes las propiedades eléctricas de los politipos sic 3c, 4h y 6h se dan en la tabla 5.1. mucho más las propiedades eléctricas detalladas se pueden encontrar en las referencias 11-13 y las referencias en el mismo. incluso dentro de un dado polytype, algunas propiedades eléctricas importantes son nonisotropic, en que son funciones fuertes de la dirección cristalográfica del flujo de corriente y del campo eléctrico aplicado (por ejemplo, movilidad electrónica) para 6h-sic). las impurezas dopantes en sic pueden incorporarse en sitios energéticamente no equitativos. mientras todo las energías de ionización dopante asociadas con varios sitios de incorporación de dopantes normalmente deberían ser considerada con la máxima precisión, la tabla 5.1 enumera solo las energías de ionización más superficiales reportadas de cada impureza. tabla 5.1comparación de propiedades electrónicas de semiconductores importantes seleccionadas de los principales politipos sic con silicio, gaas y 2h-gan a 300 k para comparación, la tabla 5.1 también incluye propiedades comparables de silicio, gaas y gan. porque el silicio es el semiconductor empleado en la mayoría de los dispositivos electrónicos de estado sólido, es el estándar contra el cual otros materiales semiconductores deben ser evaluados. en diversos grados, el mayor sic Los politipos exhiben ventajas y desventajas en las propiedades del material básico en comparación con el silicio. el la mayoría de las ventajas materiales inherentes beneficiosas de sic sobre silicio enumeradas en la tabla 5.1 son excepcionalmente campo eléctrico de alto desglose, energía de banda ancha, alta conductividad térmica y alta saturación de portadora velocidad. se discuten los beneficios de rendimiento del dispositivo eléctrico que cada una de estas propiedades permite en la siguiente sección, al igual que los beneficios a nivel de sistema habilitados por dispositivos sic mejorados.
dos de las ventajas más beneficiosas que ofrecen los productos electrónicos basados en sic en las áreas de alta temperatura y operación de dispositivo de alta potencia. la física específica del dispositivo sic que permite alta temperatura y se examinarán primero las capacidades de alta potencia, seguidas de varios ejemplos de niveles revolucionarios del sistema mejoras de rendimiento que estas capacidades mejoradas permiten.
la gran energía de banda prohibida y la baja concentración de portadores intrínsecos de sic permiten a sic mantener comportamiento de semiconductores a temperaturas mucho más altas que el silicio, que a su vez permite el semiconductor sic funcionalidad del dispositivo a temperaturas mucho más altas que el silicio. como se discutió en básico semiconductor de dispositivos electrónicos libros de texto de física, dispositivos electrónicos de semiconductores función en el rango de temperatura donde los portadores intrínsecos son insignificantes para que la conductividad esté controlada por impurezas dopantes introducidas intencionalmente. además, la concentración intrínseca de portadores es un prefactor fundamental para las ecuaciones conocidas que gobiernan la fuga de polarización inversa de la unión no deseada corrientes a medida que aumenta la temperatura, los portadores intrínsecos aumentan exponencialmente de modo que las fugas no deseadas las corrientes crecen inaceptablemente grandes, y eventualmente a temperaturas aún más altas, el semiconductor la operación del dispositivo es superada por la conductividad descontrolada ya que los portadores intrínsecos exceden intencionalmente dispositivos dopantes. dependiendo del diseño del dispositivo específico, la concentración intrínseca de portador de silicio generalmente limita el funcionamiento del dispositivo de silicio a las temperaturas de unión \u0026 lt; 300 ° c. sic es mucho más pequeño La concentración intrínseca de portadores teóricamente permite el funcionamiento del dispositivo a temperaturas de unión que exceden 800 ° c. La operación del dispositivo SIC a 600 ° C ha sido demostrada experimentalmente en una variedad de dispositivos sic. la capacidad de colocar componentes electrónicos de semiconductores de alta temperatura sin enfriar directamente en caliente los entornos permitirían importantes beneficios para la perforación automotriz, aeroespacial y de pozos profundos industrias. en el caso de los motores de automóviles y aeroespaciales, la mejora de la telemetría electrónica y el control de las regiones del motor de alta temperatura es necesario para controlar con mayor precisión la combustión proceso para mejorar la eficiencia del combustible mientras se reducen las emisiones contaminantes. capacidad de alta temperatura elimina el rendimiento, la fiabilidad y las penalizaciones de peso asociadas con la refrigeración líquida, ventiladores, térmicos blindaje y tendidos de cables más largos necesarios para realizar una funcionalidad similar en motores que usan sistemas convencionales electrónica de semiconductores de silicio.
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