Die Eigenschaften von Siliziumkarbid

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie leicht Wärme durch ein Material übertragen wird. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft von Halbleitern, da sie angibt, inwieweit ein Material in der Lage ist, Wärme effektiv abzuleiten (Wärmeakkumulation aufgrund erhöhter Leistung aufgrund erhöhter Ströme) und dadurch seine Spannungs- und Stromfähigkeiten zu erhöhen.

Die Wärmeleitfähigkeit von Silizium beträgt 130 W/(m⋅K) und ist damit deutlich niedriger als die von Siliziumkarbid (490 W/(m⋅K), wodurch Siliziumkarbid-Halbleiter die Wärme effizienter ableiten und höheren Betriebsspannungen standhalten können.

Wärmeausdehnung

Unter Wärmeausdehnung versteht man, dass ein Material aufgrund einer Temperaturänderung, beispielsweise von einer Flüssigkeit zu einem Gas, seine Form oder Größe ändert, jedoch nicht seine Phase. Ein häufiges Beispiel ist das Auftragen von heißem Wasser auf einen festsitzenden Flaschenverschluss, damit dieser aufquillt und sich leichter öffnen lässt.

Siliziumkarbid hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass es seine Form, Festigkeit und Leistung bei hohen Temperaturen (und hohen Spannungen) besser behält, was Silizium möglicherweise nicht kann.

Elektrische Feldstärke

Zwei weitere wichtige und relevante Halbleitereigenschaften sind die Bandlücke des Materials und die maximale elektrische Feldstärke.

In einem Halbleitermaterialmolekül bewegen sich Elektronen zwischen verschiedenen Bändern: der Fläche, die sie einnehmen müssen, da es zwischen den Bändern keinen Energiezustand gibt. Die Bandlücke (oder Energielücke) ist die Energie, die ein Elektron benötigt, um vom Valenzband in das Leitungsband überzugehen und so den Strom zu leiten. Wenn Halbleiter elektrische Energie empfangen und in diesen leitenden Zustand gelangen, weisen sie einzigartige Isolator/Leiter-Hybrideigenschaften auf.

Siliziumkarbid-Halbleiter haben eine dreimal größere Energielücke als Halbleiter auf Siliziumbasis, wodurch sie höheren elektrischen Feldstärken als Silizium standhalten und bei höheren Spannungen und Temperaturen arbeiten können.

Siliziumkarbid-Halbleiter haben eine große Energielücke und können Wärme besser widerstehen und ableiten als Halbleiter auf Siliziumbasis. Darüber hinaus haben sie noch weitere Vorteile:

Die hohe Energielücke von Siliziumkarbid ist bei Hochleistungsanwendungen sehr nützlich, da die höhere Energielücke kleinere Halbleiterbauelemente mit höherer Betriebsleistung ermöglicht.

Bei Dioden, einer gängigen Art von Halbleiterbauelementen, ist die Durchbruchspannung die Spannung, bei der ein umgekehrt angelegter Strom durch die Diode fließen kann. Die hohe Durchbruchspannung von Siliziumkarbid macht es ideal für MOSFETs.

Dies führt zu einer weiteren wichtigen Halbleitereigenschaft in MOSFETs: der Sperrverzögerungszeit. Wenn der MOSFET in den Sperrzustand übergeht, wird die Zeit, die er benötigt, um in den Normalzustand zurückzukehren, als Sperrerholungszeit bezeichnet. Während dieser Zeit kann der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließen und das System erfährt einen Energieverlust. In diesen Fällen weisen SiC-Geräte extrem schnelle Sperrverzögerungszeiten und vernachlässigbare Energieverluste auf, was bei Si-Geräten nicht der Fall ist.

Siliziumkarbid ist hinsichtlich der Dotierung (Hinzufügen von Verunreinigungen) flexibler als Silizium. Es kann so angepasst werden, dass Elektrizität nur unter bestimmten Bedingungen geleitet wird, beispielsweise wenn Licht eine bestimmte Intensität erfährt (Infrarot, sichtbar oder ultraviolett), was Siliziumkarbid-Halbleiter vielseitiger macht.