الاختلافات بين بلورات SiC ذات الهياكل المختلفة

كربيد السيليكون (SiC)هي مادة تتمتع بثبات حراري وفيزيائي وكيميائي استثنائي، وتظهر خصائص تتجاوز تلك الموجودة في المواد التقليدية. موصليته الحرارية مذهلة تبلغ 84 واط/(م·ك)، وهي ليست أعلى من النحاس فحسب، بل أيضًا ثلاثة أضعاف السيليكون. وهذا يدل على إمكاناتها الهائلة للاستخدام في تطبيقات الإدارة الحرارية. تبلغ فجوة نطاق SiC حوالي ثلاثة أضعاف مثيلتها في السيليكون، كما أن شدة المجال الكهربائي للانهيار أعلى من السيليكون. وهذا يعني أن SiC يمكن أن يوفر موثوقية وكفاءة أعلى في التطبيقات ذات الجهد العالي. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال بإمكان SiC الحفاظ على الموصلية الكهربائية الجيدة عند درجات حرارة عالية تصل إلى 2000 درجة مئوية، وهو ما يشبه الجرافيت. وهذا يجعلها مادة شبه موصلة مثالية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. مقاومة التآكل لـ SiC رائعة أيضًا. تمنع الطبقة الرقيقة من SiO2 المتكونة على سطحه بشكل فعال المزيد من الأكسدة، مما يجعله مقاومًا لجميع العوامل المسببة للتآكل المعروفة تقريبًا في درجة حرارة الغرفة. وهذا يضمن تطبيقه في البيئات القاسية.

فيما يتعلق بالبنية البلورية، ينعكس تنوع SiC في أكثر من 200 شكل بلوري مختلف، وهي خاصية تعزى إلى الطرق المتنوعة التي يتم بها تعبئة الذرات بكثافة داخل بلوراتها. على الرغم من وجود العديد من الأشكال البلورية، إلا أنه يمكن تقسيم هذه الأشكال البلورية تقريبًا إلى فئتين: β-SiC ذو بنية مكعبة (بنية مزيج الزنك) وα-SiC ذات بنية سداسية (بنية wurtzite). لا يؤدي هذا التنوع الهيكلي إلى إثراء الخواص الفيزيائية والكيميائية لـ SiC فحسب، بل يوفر أيضًا للباحثين المزيد من الخيارات والمرونة عند تصميم وتحسين مواد أشباه الموصلات القائمة على SiC.

من بين العديد من أشكال بلورات SiC، تشمل الأشكال الأكثر شيوعًا3C-كربيد، 4H-SiC، 6H-SiC، و15R-SiC. وينعكس الفرق بين هذه الأشكال البلورية بشكل رئيسي في بنيتها البلورية. يُظهر 3C-SiC، المعروف أيضًا باسم كربيد السيليكون المكعب، خصائص البنية المكعبة وهو أبسط هيكل بين SiC. يمكن تقسيم SiC ذو البنية السداسية إلى 2H-SiC، و4H-SiC، و6H-SiC وأنواع أخرى وفقًا للترتيبات الذرية المختلفة. تعكس هذه التصنيفات الطريقة التي يتم بها تعبئة الذرات داخل البلورة، بالإضافة إلى تناسق الشبكة وتعقيدها.

تعد فجوة النطاق معلمة أساسية تحدد نطاق درجة الحرارة ومستوى الجهد الذي يمكن أن تعمل فيه مواد أشباه الموصلات. من بين الأشكال البلورية المتعددة لـ SiC، يتمتع 2H-SiC بأعلى عرض لفجوة النطاق يبلغ 3.33 فولت، مما يشير إلى ثباته وأدائه الممتازين في ظل الظروف القاسية؛ يتبع 4H-SiC عن كثب، مع عرض فجوة النطاق 3.26 فولت؛ يحتوي 6H-SiC على فجوة نطاق أقل قليلاً تبلغ 3.02 فولت، في حين أن 3C-SiC لديه أدنى فجوة نطاق تبلغ 2.39 فولت، مما يجعله يستخدم على نطاق أوسع في درجات الحرارة والفولتية المنخفضة.

تعد الكتلة الفعالة للثقوب عاملاً مهمًا يؤثر على حركة الثقب للمواد. الكتلة الفعالة للفتحة لـ 3C-SiC هي 1.1m0، وهي منخفضة نسبيًا، مما يشير إلى أن حركة الفتحة جيدة. تبلغ الكتلة الفعالة للفتحة 4H-SiC 1.75 م0 على المستوى الأساسي للهيكل السداسي و0.65 م0 عندما تكون متعامدة مع المستوى الأساسي، مما يوضح الفرق في خواصها الكهربائية في اتجاهات مختلفة. تشبه الكتلة الفعالة للثقب 6H-SiC تلك الموجودة في 4H-SiC، ولكنها أقل قليلاً بشكل عام، مما يؤثر على حركة الناقل. تتراوح الكتلة الفعالة للإلكترون بين 0.25-0.7 م0، اعتمادًا على البنية البلورية المحددة.

تعد حركة الناقل مقياسًا لمدى سرعة تحرك الإلكترونات والثقوب داخل المادة. أداء 4H-SiC جيد في هذا الصدد. إن ثقبها وتنقلها الإلكتروني أعلى بكثير من 6H-SiC، مما يجعل أداء 4H-SiC أفضل في الأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة.

من منظور الأداء الشامل، كل شكل من أشكال الكريستالكربيد كربيدلها مزاياها الفريدة. يعتبر 6H-SiC مناسبًا لتصنيع الأجهزة الإلكترونية الضوئية نظرًا لاستقراره الهيكلي وخصائص التألق الجيدة.3C-كربيدمناسب للأجهزة عالية التردد وعالية الطاقة نظرًا لسرعة انجراف الإلكترون المشبعة العالية. أصبح 4H-SiC خيارًا مثاليًا لأجهزة الطاقة الإلكترونية نظرًا لحركته الإلكترونية العالية ومقاومته المنخفضة وكثافة التيار العالية. في الواقع، 4H-SiC ليست فقط مادة أشباه الموصلات من الجيل الثالث التي تتمتع بأفضل أداء، وأعلى درجة من التسويق، والتكنولوجيا الأكثر نضجًا، ولكنها أيضًا المادة المفضلة لتصنيع أجهزة أشباه موصلات الطاقة في الضغط العالي والعالي. درجات الحرارة والبيئات المقاومة للإشعاع.