半導体により、私たちの電子デバイスは全世界とつながることができます。シリコン (Si) は長い間半導体の主な材料でしたが、新しい代替材料は炭化シリコン (SiC) です。
半導体材料は、絶縁体と導体の間の電気伝導率、および両方の特性を併せ持つなど、独特の特性を持っています。高温での抵抗率が低いため、コンピューターチップでの使用に適しています。
半導体の特性は、分子構造に不純物を追加（ドーピング）することでカスタマイズできます。これにより、シリコンおよび炭化ケイ素を通る電子の流路が変更され、さまざまな電子アプリケーション向けにカスタマイズが可能になります。
SiC デバイスは、多くの非常に求められている半導体特性において Si デバイスをはるかに上回っており、効率とパフォーマンスの向上を追求する上で重要な役割を果たしています。{0}
炭化ケイ素の特性とは何ですか?
炭化ケイ素 (SiC) は、その原子構造により、純粋なシリコンとは異なる特性を持っています。シリコンの結晶構造により、隣接する 4 つのシリコン原子に接続された基本格子を形成できます。ただし、シリコンは炭素と結合して、シリコン原子に 4 つの炭素原子が点在する密に詰まった四面体を形成し、その結果、出力密度、効率、信頼性を最大化する結晶構造が得られます。
熱伝導率
熱伝導率は、熱が材料を介してどの程度容易に伝達されるかを示す尺度です。これは、材料が熱 (電流の増加による電力の増加による熱の蓄積) をどの程度効率的に放散できるかを示し、それによって電圧と電流の能力が増加する、半導体の重要な特性です。
シリコンの熱伝導率 130 W/(m・K) は炭化ケイ素の 490 W/(m・K) よりも大幅に低いため、炭化ケイ素半導体はより効率的に熱を放散し、より高い動作電圧に耐えることができます。
熱膨張
熱膨張とは、液体から気体などの温度変化により、材料が形状またはサイズ - に変化しますが、相 - には変化しないことです。一般的な例としては、固着したボトルのキャップに熱湯をかけ、キャップを拡張して開ける場合があります。
炭化ケイ素は熱膨張係数が非常に低いため、シリコンでは不可能な高温 (および高電圧) での形状、強度、特性を維持することができます。
電界強度
他の 2 つの重要な関連する半導体特性は、材料のバンドギャップと最大電界強度です。
半導体材料の分子では、電子は異なるエネルギー バンド間を移動します。つまり、バンド間にはエネルギー状態がないため、電子が占有する必要がある領域です。バンド ギャップ (またはエネルギー ギャップ) は、電子が価電子帯から伝導帯にジャンプして導電性を可能にするのに必要なエネルギー量です。半導体が電気エネルギーを受け取り、この伝導状態になると、独特の絶縁体と導体のハイブリッド特性を示します。
炭化ケイ素半導体は、シリコン-ベースの半導体よりもエネルギーギャップが 3 倍大きいため、シリコンよりも高い電界強度に耐えることができ、より高い電圧と温度で動作します。
炭化ケイ素半導体の利点
前述したように、炭化ケイ素半導体はエネルギーギャップが大きいため、シリコン-ベースの半導体と比較して、より優れた耐久性と放熱性を実現します。他にも次のような利点があります。
炭化ケイ素の高いエネルギーギャップは、より高いエネルギーギャップにより半導体デバイスの小型化とより高い動作性能を可能にするため、高電力用途に役立ちます。-
一般的な半導体デバイスであるダイオードの場合、ブレークダウン電圧は、逆方向の印加電流がダイオードに流れることができる電圧です。炭化ケイ素は降伏電圧が高いため、MOSFET に最適です。
これは、MOSFET のもう 1 つの重要な半導体特性、つまり逆回復時間につながります。 MOSFET が逆バイアスになった場合、通常の状態に戻るまでにかかる時間を逆回復時間と呼びます。この間、電流が逆方向に流れる可能性があり、システムはエネルギー損失を経験します。このような場合、SiC デバイスの逆回復時間は非常に速く、エネルギー損失は無視できますが、Si デバイスはそうではありません。
炭化ケイ素は、シリコンよりもドーピング（不純物の添加）に柔軟性があります。特定の強度の光（赤外線、可視光、または紫外線）を受けるなど、特定の条件下でのみ電気を通すように調整することができるため、SiC 半導体の用途が広がります。
