أشباه الموصلات الكهربائية

وصف

كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن مادة شبه موصلة مركبة من المجموعة IV-IV تتكون من روابط تساهمية بين السيليكون (Si) والكربون (C). وهو نادر في الطبيعة (المويسانتي هو شكله الطبيعي) وعادة ما يتم تحضيره من خلال التوليف الاصطناعي (مثل طريقة أتشيسون، وطريقة الأمراض القلبية الوعائية). يحتوي على مجموعة متنوعة من الهياكل البلورية، بما في ذلك الطور المكعب (3C-SiC)، والطور السداسي (4H-SiC، 6H-SiC)، والتي أصبحت من بينها 4H-SiC المادة التجارية السائدة نظرًا لخصائصها الكهربائية الممتازة.

2. الخصائص

يجمع كربيد السيليكون على نطاق واسع الفجوة، وقوة مجال الانهيار العالية، والتوصيل الحراري العالي، وهو متفوق بشكل كبير على السيليكون التقليدي (Si) وزرنيخيد الغاليوم (GaAs):

ميزات أخرى:

ل الخمول الكيميائي: مقاومة للتآكل والأكسدة، ومناسبة للبيئات القاسية.

ل صلابة ميكانيكية: 9.5 على مقياس موس (الثاني بعد الماس)، ويستخدم في المواد المقاومة للتآكل.

3. مجالات التطبيق

الخصائص الفريدة لكربيد السيليكون تجعله لا يمكن الاستغناء عنه عالية الطاقة، وارتفاع درجة الحرارة، وعالية التردد السيناريوهات:

(1) أجهزة إلكترونيات الطاقة

ل أجهزة الطاقة:

¢ سيك موسفيت: استبدال محولات IGBTs القائمة على السيليكون في محولات السيارات الكهربائية (مثل طراز السيارة الكهربائية 3) والمحولات الكهروضوئية، مما يقلل من استهلاك الطاقة بأكثر من 20%.

¢ ديود كربيد السيليكون (الصمام الثنائي لحاجز شوتكي، SBD): الاسترداد السريع، وخسارة التبديل المنخفضة، لتحويل الطاقة (مثل طاقة المحطة الأساسية 5G).

ل تصنيف الجهد: يغطي 600 فولت - 10 كيلو فولت، مناسب للشبكات الذكية وأنظمة الجر بالسكك الحديدية عالية السرعة.

(2) أجهزة الترددات الراديوية (RF).

ل اتصالات 5G: مضخمات الطاقة القائمة على نيتريد الغاليوم (GaN-on-SiC) لتعزيز كفاءة إشارة المحطة الأساسية.

ل الاتصالات الرادارية/الفضائية: تردد عالي وثبات في درجات الحرارة العالية يتفوق على زرنيخيد الغاليوم (GaAs).

(3) مركبات الطاقة الجديدة

ل نظام القيادة الكهربائية: تعمل محولات SiC على زيادة النطاق بنسبة 5٪ إلى 10٪ (مثل BYD e-Platform 3.0).

ل محطات الشحن: تمكين الشحن السريع بجهد عالي 800 فولت (مثل بورش تايكان التي يمكن شحنها إلى 80% في 15 دقيقة).

(4) الصناعة والطاقة

ل الكهروضوئية / الرياح: تعمل محولات SiC على تحسين كفاءة توليد الطاقة (> 99%).

ل المحركات الصناعية: تقليل متطلبات تبديد الحرارة وتوفير أكثر من 30 بالمائة من الطاقة.

(5) مناطق أخرى

ل الفضاء الجوي: الأجهزة المقاومة للإشعاع لأنظمة الطاقة الفضائية.

ل مواد مقاومة للاهتراء: أدوات القطع، الدروع المضادة للرصاص (مثل مركبات السيراميك SiC).

4 التحديات والآفاق

ل التحديات: تكلفة عالية (تحضير الركيزة صعبة)، عملية معقدة (تتطلب درجة حرارة عالية نضوج).

ل الآفاق: مع ركائز 6 بوصة / 8 بوصة ومع إنتاجها بكميات كبيرة وانخفاض تكاليفها، من المتوقع أن يتجاوز حجم سوق أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون 10 مليارات دولار بحلول عام 2027.

ملخص: يعتبر SiC مادة أساسية في "عصر ما بعد مور"، حيث يقود الطاقة الخضراء والفعالة والنقل والاتصالات.