فهم الحياة الماضية من كربيد السيليكون!

يتم صهر كربيد السيليكون (SiC) عند درجة حرارة عالية في فرن مقاومة باستخدام رمل الكوارتز وفحم الكوك البترولي (أو فحم الكوك) ورقائق الخشب كمواد خام. يوجد كربيد السيليكون أيضًا في الطبيعة كمعدن نادر، وهو المويسانتي. ويسمى كربيد السيليكون أيضًا بالمويسانيت. من بين المواد الخام المقاومة للحرارة عالية التقنية غير المؤكسدة مثل C وN وB، يعد كربيد السيليكون هو الأكثر استخدامًا واقتصاديًا. يمكن أن يطلق عليه رمل الصنفرة أو الرمل الحراري.

1. الحياة الماضية والحالية لكربيد السيليكون
نظرًا لخصائصه الكيميائية المستقرة، والموصلية الحرارية العالية، ومعامل التمدد الحراري الصغير، ومقاومة التآكل الجيدة، فإن كربيد السيليكون له العديد من الاستخدامات الأخرى إلى جانب استخدامه كمادة كاشطة، مثل طلاء مسحوق كربيد السيليكون بعملية خاصة على الجدار الداخلي للسطح. المكره التوربيني أو كتلة الأسطوانة، يمكنه تحسين مقاومة التآكل وإطالة عمر الخدمة بمقدار 1 إلى 2 مرات؛ المواد المقاومة للحرارة المتقدمة المصنوعة منها مقاومة للصدمات الحرارية، صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، عالية القوة، ولها تأثير جيد في توفير الطاقة. يعتبر كربيد السيليكون منخفض الجودة (الذي يحتوي على حوالي 85% SiC) مزيلًا ممتازًا للأكسدة. يمكنها تسريع عملية تصنيع الفولاذ، وتسهيل التحكم في التركيب الكيميائي، وتحسين جودة الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم كربيد السيليكون أيضًا على نطاق واسع في إنتاج قضبان كربيد السيليكون لعناصر التسخين الكهربائي.
كربيد السيليكون شديد الصلابة، حيث تبلغ صلابة موس 9.5، وهو في المرتبة الثانية بعد أصلب الماس في العالم (المستوى 10). إنه ذو موصلية حرارية ممتازة، وهو شبه موصل، ويمكن أن يقاوم الأكسدة في درجات الحرارة العالية.

2. الخصائص المفيدة لأجهزة كربيد السيليكون
يعد كربيد السيليكون (SiC) حاليًا أكثر مواد أشباه الموصلات واسعة النطاق نضجًا. تولي البلدان في جميع أنحاء العالم أهمية كبيرة لأبحاث SiC واستثمرت الكثير من القوى العاملة والموارد المادية في التطوير النشط. الولايات المتحدة وأوروبا واليابان وما إلى ذلك ليست فقط خطط بحثية مقابلة تمت صياغتها على المستوى الوطني، كما استثمرت بعض شركات الإلكترونيات الدولية العملاقة أيضًا بشكل كبير في تطوير أجهزة أشباه الموصلات من كربيد السيليكون.
بالمقارنة مع السيليكون العادي، فإن المكونات التي تستخدم كربيد السيليكون لها الخصائص التالية:

خصائص الجهد العالي:
تتمتع أجهزة كربيد السيليكون بمقاومة للجهد 10 أضعاف أجهزة السيليكون المكافئة.
يمكن أن تصل مقاومة الجهد لأنابيب شوتكي من كربيد السيليكون إلى 2400 فولت.
يمكن لأنابيب تأثير المجال من كربيد السيليكون أن تتحمل جهدًا يصل إلى عشرات الآلاف من الفولتات، كما أن مقاومتها على الحالة ليست كبيرة جدًا.

خصائص التردد العالي:

خصائص درجة الحرارة العالية:
اليوم، عندما تكون مواد Si قريبة من حد الأداء النظري، فإن أجهزة الطاقة SiC تعتبر دائمًا "أجهزة مثالية" ويتم توقعها بشدة بسبب جهد تحملها العالي، وفقدانها المنخفض، وكفاءتها العالية وخصائص أخرى. ومع ذلك، بالمقارنة مع أجهزة مادة Si السابقة، فإن التوازن بين الأداء وتكلفة أجهزة الطاقة SiC وطلبها على التكنولوجيا العالية سيصبح المفتاح لمعرفة ما إذا كانت أجهزة الطاقة SiC يمكن أن تصبح شائعة حقًا.

في الوقت الحاضر، دخلت أجهزة كربيد السيليكون منخفضة الطاقة مرحلة إنتاج الأجهزة العملية من المختبر. في الوقت الحاضر، لا يزال سعر رقائق كربيد السيليكون مرتفعًا نسبيًا، كما أن بها العديد من العيوب. من خلال البحث والتطوير المستمر، من المتوقع أن تهيمن أجهزة كربيد السيليكون على سوق أجهزة الطاقة بحلول عام 2010 تقريبًا. لكن هذا ليس هو الحال.

3. ما هو الوضع الحالي لتطوير أجهزة كربيد السيليكون؟
1. المعلمات التقنية: على سبيل المثال، يزيد جهد الدايود شوتكي من 250 فولت إلى أكثر من 1,000 فولت، وتكون مساحة الشريحة أصغر، ولكن التيار لا يتجاوز بضع عشرات من الأمبيرات. يتم زيادة درجة حرارة التشغيل إلى 180 درجة، وهي بعيدة كل البعد عن إدخال 600 درجة. إن انخفاض الجهد غير مرضٍ أكثر، فهو لا يختلف عن مادة السيليكون، ويجب أن يصل انخفاض الجهد الأمامي العالي إلى 2 فولت.
2. سعر السوق: حوالي 5 إلى 6 أضعاف سعر تصنيع مادة السيليكون.

4. ما هي الصعوبات في تطوير كربيد السيليكون (SiC ) الأجهزة؟المشكلة في تطوير أجهزة كربيد السيليكون ليست في التصميم الأساسي للرقاقة، وخاصة تصميم هيكل الشريحة. ليس من الصعب حلها. تكمن الصعوبة في تحقيق عملية تصنيع هيكل الشريحة. الأمثلة هي كما يلي: 1. كثافة عيوب الأنابيب الدقيقة لرقائق كربيد السيليكون. 2. كفاءة العملية الفوقي منخفضة. 3. إن عملية المنشطات لها متطلبات خاصة.

4. إنتاج الاتصال الأومي. 5. مقاومة درجات الحرارة للمواد الداعمة.

ما ورد أعلاه مجرد أمثلة قليلة، وليس كلها. لا تزال هناك العديد من مشاكل العملية التي ليس لها حلول مثالية، مثل عملية الخنادق السطحية لأشباه الموصلات من كربيد السيليكون، وعملية التخميل الطرفي، وتأثير حالة الواجهة لطبقة أكسيد البوابة على الاستقرار طويل المدى لأجهزة MOSFET من كربيد السيليكون. هل توصلت الصناعة إلى توافق في الآراء بعد؟ لقد أعاقت الاستنتاجات المتسقة وما إلى ذلك بشكل كبير التطور السريع لأجهزة طاقة كربيد السيليكون.

5. نظرة عامة على تطوير مجالات التطبيق الرئيسية لكربيد السيليكون

حاليًا، يُحدث الجيل الثالث من المواد شبه الموصلة ثورة في الطاقة النظيفة وجيلًا جديدًا من تكنولوجيا المعلومات الإلكترونية. سواء كان الأمر يتعلق بالإضاءة، أو الأجهزة المنزلية، أو المعدات الإلكترونية الاستهلاكية، أو مركبات الطاقة الجديدة، أو الشبكات الذكية، أو الإمدادات العسكرية، فإن أشباه الموصلات عالية الأداء هذه هي مواد مطلوبة بشدة. وفقا لتطوير أشباه الموصلات من الجيل الثالث، فإن تطبيقاته الرئيسية هي إضاءة أشباه الموصلات، وأجهزة الطاقة الإلكترونية، والليزر والكاشفات، وأربعة مجالات أخرى.
1. إضاءة أشباه الموصلات
من بين مجالات التطبيق الأربعة، تطورت صناعة إضاءة أشباه الموصلات بشكل أسرع وشكلت نطاق صناعة يصل إلى عشرات المليارات من الدولارات.
2. تشغيل الأجهزة الإلكترونية
في مجال إلكترونيات الطاقة، بدأ للتو تطبيق أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة، ويبلغ حجم السوق بضع مئات من ملايين الدولارات الأمريكية فقط. ويتركز تطبيقه بشكل رئيسي في مجال المعدات العسكرية المتطورة ويتوسع تدريجياً ليشمل المجال المدني.
3. أجهزة الليزر وأجهزة الكشف
في مجال تطبيقات الليزر والكاشفات، يمكن لأشعة الليزر المعتمدة على GaN تغطية نطاق واسع من الطيف وتحقيق تصنيع أشعة الليزر الأزرق والأخضر والأشعة فوق البنفسجية والكشف عن الأشعة فوق البنفسجية.
4. تطبيقات أخرى
في مجال الأبحاث المتطورة، يمكن استخدام أشباه الموصلات واسعة النطاق في الخلايا الشمسية، وأجهزة الاستشعار الحيوية، ووسائط إنتاج الهيدروجين المعتمدة على الماء، وغيرها من التطبيقات الناشئة. حاليًا، لا تزال هذه المناطق الساخنة في مرحلة البحث والتطوير المختبري.