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सिलिकॉन कार्बाइड: घर्षण सामग्री से अगली पीढ़ी के अर्धचालक तक

जब हम सिलिकॉन कार्बाइड के बारे में बात करते हैं, तो पहली चीज जो दिमाग में आ सकती है वह है परिचित कार्बोरुंडम पीसने वाला पहिया, जिसे अक्सर रसोई के चाकू तेज करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है।इसके उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध के लिए धन्यवाद, उच्च कठोरता, और उत्कृष्ट उच्च तापमान स्थिरता, सिलिकॉन कार्बाइड लंबे समय से घर्षण, पीस उपकरण, अग्निरोधक सामग्री, और कार्यात्मक सिरेमिक में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है।

हमारे पिछले लेख में, हमने सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल की कहानी पर चर्चा की है। इस लेख में, हम सिलिकॉन कार्बाइड पर ध्यान केंद्रित करेंगे।

सेमीकंडक्टर लगभग हर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में आवश्यक घटक हैं जिनका हम सामना करते हैं। एक सेमीकंडक्टर एक विशेष प्रकार की सामग्री है जिसकी विद्युत चालकता एक कंडक्टर के बीच है,जैसे धातु, और एक इन्सुलेटर, जैसे सिरेमिक या प्लास्टिक।एक अर्धचालक की चालकता भी उसके संचालन तापमान या विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान पेश की अशुद्धियों के आधार पर बदल सकता है.

हालांकि, सख्ती से बोलते हुए, विद्युत चालकता सामग्री की ऊर्जा बैंड संरचना द्वारा निर्धारित की जाती है।एक अर्धचालक की अधिक सटीक परिभाषा इसकी बैंड संरचना पर आधारित होनी चाहिए.

जैसा कि नीचे दी गई आरेख में दिखाया गया है, कंडक्टर, अर्धचालक और इन्सुलेटर में अलग-अलग ऊर्जा बैंड संरचनाएं होती हैं। कंडक्टरों में, कंडक्शन बैंड और वैलेंस बैंड ओवरलैप होते हैं,या उनके बीच ऊर्जा का अंतर बहुत छोटा हैनतीजतन, इलेक्ट्रॉनों को प्रवाह बैंड में उत्तेजित करने और दिशात्मक धारा प्रवाह उत्पन्न करने के लिए केवल एक छोटी मात्रा में ऊर्जा, जैसे कि एक बाहरी विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है।

अर्धचालकों में, एक निषिद्ध बैंड होता है, जिसे बैंड गैप के रूप में भी जाना जाता है, जो संवाहक बैंड और वैलेंस बैंड के बीच होता है।इलेक्ट्रॉनों को केवल संवाहक बैंड में उत्तेजित किया जा सकता है जब वे बैंड अंतराल से अधिक ऊर्जा अवशोषितआम तौर पर, अर्धचालक बैंड अंतराल लगभग 0 से 6.5 eV तक होता है।

इन्सुलेटर में, बैंड का अंतर बहुत बड़ा होता है, आमतौर पर 10 eV से अधिक के क्रम में, जिससे इलेक्ट्रॉनों को प्रवाहकीय बैंड में उत्तेजित करना बहुत मुश्किल हो जाता है।विद्युत प्रवाह आसानी से नहीं होता है.

इसलिए, अर्धचालकों की अद्वितीय विद्युत चालकता conductors और insulators के बीच मूल रूप से उनकी ऊर्जा बैंड संरचना द्वारा निर्धारित है।

ऊर्जा बैंड संरचना आरेख

सिलिकॉन से सिलिकॉन कार्बाइड

अर्धचालकों को शुद्ध तत्वों से बनाया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन और जर्मनियम सबसे आम उदाहरण हैं।इन्हें सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम आर्सेनइड (GaAs) जैसी यौगिक सामग्री से भी बनाया जा सकता है।.

प्रारंभिक अर्धचालक उपकरण मुख्य रूप से जर्मनियम से बने थे। बाद में, सिलिकॉन सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्री बन गई। हालांकि, सिलिकॉन-आधारित डिवाइस तकनीक विकसित होती रही है,उपकरण का प्रदर्शन धीरे-धीरे सिलिकॉन की भौतिक सीमाओं के करीब आ गया है।.

इसने उन्नत अर्धचालक सामग्री के लिए नए अवसर पैदा किए हैं। उनमें से सिलिकॉन कार्बाइड या SiC, पारंपरिक सिलिकॉन के सबसे आशाजनक प्रतियोगियों में से एक बन गया है।

आइये, सीआईसी के सीआईसी की तुलना में लाभों पर करीब से नज़र डालते हैं।

सीआईसी की अनूठी संरचना उसे बेहतर प्रदर्शन देती है

सिलिकॉन कार्बाइड एक यौगिक अर्धचालक सामग्री है जो कार्बन और सिलिकॉन परमाणुओं से 1:1 स्टोकिओमेट्रिक अनुपात में बनी होती है। एक SiC क्रिस्टल की बुनियादी संरचनात्मक इकाई एक टेट्राहेडर संरचना है,जैसे SiC4 या CSi4इस संरचना में, एक परमाणु चार आसपास के परमाणुओं द्वारा गठित एक टेट्राहेड्रन के केंद्र में स्थित है।

SiC की परमाणु संरचना

किसी पदार्थ की संरचना उसके गुणों को निर्धारित करती है और उसके गुण उसके अनुप्रयोगों को निर्धारित करते हैं।सीआईसी की अनोखी परमाणु संरचना ही उसे उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक प्रदर्शन देती है.

आइए हम सीआईसी के कई प्रमुख गुणों को देखें, जिनमें टूटने की ताकत, बैंड गैप और थर्मल चालकता शामिल हैं।

1. उच्च महत्वपूर्ण टूटने की ताकत

सीआईसी में बहुत उच्च महत्वपूर्ण टूटने की ताकत होती है। इसका अर्थ है कि सीआईसी उपकरण एक ही पैकेज आकार को बनाए रखते हुए उच्च वोल्टेज का सामना कर सकते हैं।यह पैकेजिंग में एक ही वोल्टेज रेटिंग बनाए रखते हुए इन्सुलेशन आवश्यकताओं को कम करने की अनुमति देता है.

नतीजतन, SiC का उपयोग ब्लॉक वोल्टेज वाले घटकों के निर्माण के लिए किया जा सकता है जो सिलिकॉन के साथ प्राप्त किए जाने वाले से एक परिमाण के आदेश से अधिक हो सकते हैं।

एक अर्धचालक की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक इसकी ऊर्जा अंतराल या बैंड अंतराल है। बैंड अंतराल को इलेक्ट्रॉन वोल्ट या eV में मापा जाता है, जहां 1 eV लगभग 1 के बराबर होता है।602 × 10−19 जूल.

SiC का बैंड गैप लगभग 3.26 eV है, जबकि Si का लगभग 1.12 eV है।तीसरी पीढ़ी के व्यापक-बैंड-गैप अर्धचालकों द्वारा प्रतिनिधित्व किया गया SiC इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को सक्षम करता है, विशेष रूप से बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को उच्च वोल्टेज पर काम करने के लिए, उच्च तापमान, और उच्च आवृत्तियों.

इससे सीआईसी आधारित उपकरण तेज़, छोटे और अधिक विश्वसनीय होते हैं।

3उच्च ताप प्रवाहकता

थर्मल चालकता अर्धचालक सामग्री का एक और महत्वपूर्ण गुण है। थर्मल चालकता जितनी अधिक होगी, सामग्री ऑपरेशन के दौरान उत्पन्न गर्मी को अधिक प्रभावी ढंग से फैला सकती है.

यह उच्च ताप-संवाहकता वाले अर्धचालकों से बने घटकों को छोटा करने की अनुमति देता है और समग्र प्रणाली के थर्मल प्रबंधन में सुधार करने में मदद करता है।

सीआईसी की थर्मल चालकता लगभग 430 W/m·K है, जबकि सीआईसी की लगभग 150 W/m·K है। यह उच्च शक्ति और उच्च तापमान अनुप्रयोगों में सीआईसी को एक स्पष्ट लाभ देता है।

अर्धचालक सामग्री के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड

हमने पहले ही सीआईसी के कई पारंपरिक अनुप्रयोगों पर चर्चा की है, जिनमें अग्निरोधक सामग्री, घर्षण और कार्यात्मक सिरेमिक शामिल हैं।SiC की सबसे रोमांचक क्षमता MOSFETs और Schottky बैरियर डायोड जैसे उपकरणों में उपयोग की जाने वाली पावर सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में इसके प्रदर्शन में निहित है.

अपनी उच्च टूटने की ताकत, व्यापक बैंड गैप और उत्कृष्ट थर्मल चालकता के कारण, SiC पारंपरिक अर्धचालक सामग्री जैसे Si, Ge,और GaAs कई मांग वाले अनुप्रयोगों में.

जैसे-जैसे विनिर्माण प्रौद्योगिकियां परिपक्व होती जा रही हैं, सिलिकॉन कार्बाइड अर्धचालक सामग्री के क्षेत्र में एक उगता हुआ सितारा बन रहा है।