Mga pagkakaiba sa pagitan ng mga kristal ng SiC na may iba't ibang mga istraktura

Silicon carbide (SiC)ay isang materyal na nagtataglay ng pambihirang thermal, pisikal at kemikal na katatagan, na nagpapakita ng mga katangian na higit pa sa mga karaniwang materyales. Ang thermal conductivity nito ay isang kahanga-hangang 84W/(m·K), na hindi lamang mas mataas kaysa sa tanso kundi tatlong beses din kaysa sa silikon. Ito ay nagpapakita ng napakalaking potensyal nito para magamit sa mga aplikasyon ng thermal management. Ang bandgap ng SiC ay humigit-kumulang tatlong beses kaysa sa silikon, at ang pagkasira nito sa lakas ng electric field ay isang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa silikon. Nangangahulugan ito na ang SiC ay maaaring magbigay ng mas mataas na pagiging maaasahan at kahusayan sa mga high-voltage na aplikasyon. Bukod pa rito, maaari pa ring mapanatili ng SiC ang magandang electrical conductivity sa mataas na temperatura na 2000°C, na maihahambing sa graphite. Ginagawa nitong perpektong materyal na semiconductor sa mga kapaligirang may mataas na temperatura. Ang paglaban sa kaagnasan ng SiC ay napakahusay din. Ang manipis na layer ng SiO2 na nabuo sa ibabaw nito ay epektibong pumipigil sa karagdagang oksihenasyon, na ginagawa itong lumalaban sa halos lahat ng kilalang corrosive agent sa temperatura ng silid. Tinitiyak nito ang aplikasyon nito sa malupit na kapaligiran.

Sa mga tuntunin ng istraktura ng kristal, ang pagkakaiba-iba ng SiC ay makikita sa higit sa 200 iba't ibang mga anyo ng kristal, isang katangian na maiugnay sa magkakaibang mga paraan kung saan ang mga atom ay nakaimpake nang makapal sa loob ng mga kristal nito. Bagaman mayroong maraming mga kristal na anyo, ang mga kristal na anyo ay maaaring halos nahahati sa dalawang kategorya: β-SiC na may kubiko na istraktura (zinc blende na istraktura) at α-SiC na may heksagonal na istraktura (wurtzite na istraktura). Ang pagkakaiba-iba ng istruktura na ito ay hindi lamang nagpapayaman sa pisikal at kemikal na mga katangian ng SiC, ngunit nagbibigay din sa mga mananaliksik ng higit pang mga pagpipilian at kakayahang umangkop kapag nagdidisenyo at nag-o-optimize ng mga materyal na semiconductor na nakabatay sa SiC.

Kabilang sa maraming mga anyo ng kristal ng SiC, ang mga pinaka-karaniwan ay kasama3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, at 15R-SiC. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga kristal na form na ito ay higit sa lahat na makikita sa kanilang kristal na istraktura. Ang 3C-SiC, na kilala rin bilang cubic silicon carbide, ay nagpapakita ng mga katangian ng isang cubic na istraktura at ito ang pinakasimpleng istraktura sa SiC. Ang SiC na may heksagonal na istraktura ay maaaring higit pang mahahati sa 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC at iba pang mga uri ayon sa iba't ibang atomic arrangement. Ang mga klasipikasyong ito ay sumasalamin sa paraan ng pag-iimpake ng mga atomo sa loob ng kristal, pati na rin ang simetrya at pagiging kumplikado ng sala-sala.

Ang band gap ay isang pangunahing parameter na tumutukoy sa hanay ng temperatura at antas ng boltahe kung saan maaaring gumana ang mga semiconductor na materyales. Kabilang sa ilang mga kristal na anyo ng SiC, ang 2H-SiC ay may pinakamataas na lapad ng bandgap na 3.33 eV, na nagpapahiwatig ng mahusay na katatagan at pagganap nito sa ilalim ng matinding mga kondisyon; Mahigpit na sumusunod ang 4H-SiC, na may lapad na bandgap na 3.26 eV; Ang 6H-SiC ay may bahagyang mas mababang bandgap na 3.02 eV, habang ang 3C-SiC ay may pinakamababang bandgap na 2.39 eV, kaya mas malawak itong ginagamit sa mas mababang temperatura at boltahe.

Ang epektibong masa ng mga butas ay isang mahalagang salik na nakakaapekto sa paggalaw ng butas ng mga materyales. Ang mabisang masa ng butas ng 3C-SiC ay 1.1m0, na medyo mababa, na nagpapahiwatig na ang mobility ng butas nito ay mabuti. Ang hole effective mass ng 4H-SiC ay 1.75m0 sa base plane ng hexagonal structure at 0.65m0 kapag patayo sa base plane, na nagpapakita ng pagkakaiba sa electrical properties nito sa iba't ibang direksyon. Ang mabisang masa ng butas ng 6H-SiC ay katulad ng sa 4H-SiC, ngunit bahagyang mas mababa sa pangkalahatan, na may epekto sa mobility ng carrier nito. Ang epektibong masa ng elektron ay nag-iiba sa hanay na 0.25-0.7m0, depende sa tiyak na istraktura ng kristal.

Ang carrier mobility ay isang sukatan kung gaano kabilis gumagalaw ang mga electron at butas sa loob ng isang materyal. Ang 4H-SiC ay mahusay na gumaganap sa bagay na ito. Ang hole at electron mobility nito ay mas mataas kaysa sa 6H-SiC, na ginagawang mas mahusay ang performance ng 4H-SiC sa mga power electronic device.

Mula sa pananaw ng komprehensibong pagganap, ang bawat kristal na anyo ngSiCay may mga natatanging pakinabang. Ang 6H-SiC ay angkop para sa paggawa ng mga optoelectronic na aparato dahil sa katatagan ng istruktura at mahusay na mga katangian ng luminescence.3C-SiCay angkop para sa mga high-frequency at high-power na device dahil sa mataas na saturated electron drift speed nito. Ang 4H-SiC ay naging isang mainam na pagpipilian para sa mga power electronic device dahil sa mataas na electron mobility nito, mababang on-resistance at mataas na current density. Sa katunayan, ang 4H-SiC ay hindi lamang ang ikatlong henerasyong materyal na semiconductor na may pinakamahusay na pagganap, ang pinakamataas na antas ng komersyalisasyon, at ang pinaka-mature na teknolohiya, ito rin ang ginustong materyal para sa pagmamanupaktura ng mga power semiconductor device sa mataas na presyon, mataas- temperatura, at mga kapaligirang lumalaban sa radiation.