أصبح الكربيد السيليكوني (SiC) مادة أساسية لجيل القادم من أجهزة الكترونيات الكهربائية، وأنظمة درجات الحرارة العالية، والأجهزة عالية التردد.ما يجعلها فريدة من نوعها هو أنها يمكن أن تتبلور إلى العديد من الأنواع متعددة أكثر من 200 تم تحديدها على الرغم من أن جميعها تتشارك في نفس الصيغة الكيميائيةمن بينهم4H-SiCو6H-SiCهي الأكثر أهمية تجارياً.

من الخارج ، تبدو متشابهة: كلاهما من النماذج الكثيرة السدسية ذات الموصلات الحرارية العالية ، والربط المشترك القوي ، والفجوات الواسعة. ومع ذلك ،الاختلافات الدقيقة في التراكم الذري تعطي لهم سلوكيات إلكترونية متميزة وتحدد كيفية استخدامها في أجهزة أشباه الموصلات.

توفر هذه المقالة شرحًا واضحًا ومبدئيًا لكيفية اختلاف 4H-SiC و 6H-SiC في بنية الكريستال والخصائص الفيزيائية والتطبيقات العملية.

1لماذا يشكّل (سي سي سي) أنواع مختلفة من النماذج

يتكون SiC من طبقات متناوبة من السيليكون والكربون. على الرغم من أن كل طبقة لها نفس الترتيب الذري،ترتيب الترتيبهذا التسلسل التراكمي هو ما يولد أنواع متعددة مختلفة.

تشبيه بسيط هو وضع بطاقات لعب متطابقة في أنماط مختلفة. لا تتغير البطاقات ، ولكن الشكل العام يتغير.

في (سي سي):

• نمط متكرر قصير يخلق نوعاً كبيراً4 ساعة,

• بينما نمط أطول يخلق6H.

حتى هذه التغييرات البنيوية الصغيرة كافية لتغيير بنية الفرقة ومستويات الطاقة وحركة الناقل.

2مقارنة الهيكل البلورى

4H-SiC

• تسلسل التراكم يتكرر كل مرةأربعةطبقات

• التماثل الكريستالي هومستطيل

• ثابت الشبكة على محور C هو تقريبا10.1 Å

لأن تسلسل التراص أقصر وأكثر توحيدًا، فإن الكريستال الناتج يعرضانيسوتروبيا أقلوخصائص إلكترونية أكثر اتساقا على طول اتجاهات مختلفة.

6H-SiC

• تسلسل التراكم يتكرر كل مرةستةطبقات

• التماثل الكريستالي السادس

• ثابت الشبكة على محور C هو تقريبا15.1 Å

إن مسافة التكرار الأطول تخلق مواقع ذرية متعددة غير متكافئة ، مما يجعل بنية الفرقة أكثر تعقيدًا ويؤدي إلى حركة حامل تعتمد على الاتجاه.

3الفجوة في الحزام والخصائص الإلكترونية

4H-SiC يقدم:

• الفجوة العريضة العالية

• مجال التقسيم الأعلى

• نقل الإلكترونات بشكل أسرع

هذه الخصائص تجعلها مناسبة بشكل خاص لأجهزة عالية الجهد و عالية التردد.

6H-SiC ، في حين لا يزال مادة واسعة النطاق ، تظهر تحرك أقل بسبب تسلسل التراكم الأكثر تعقيدًا.

4الخصائص الحرارية والميكانيكية

يشترك كلا النوعين في نفس الروابط المشتركة القوية Si √ C ، مما يمنحهم:

• سلكية حرارية عالية

• قوة ميكانيكية ممتازة

• مقاومة للإشعاع والتهاب الكيميائي

قيم الموصلات الحرارية متشابهة:

• 4H-SiC ≈ 4.9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4.7 W/cm·K

الاختلافات صغيرة جدًا لتؤثر بشكل كبير على اختيار الجهاز.

5التطبيقات: حيث يتفوق كل نوع متعدد

4H-SiC: المعيار الصناعي لألكترونيات الطاقة

4H-SiC مهيمن في:

• MOSFETs

• ثنائيات شوتكي

• وحدات الطاقة

• مفاتيح الجهد العالي

• محولات التردد العالي

تحركية الإلكترونات المتفوقة ومجال الانهيار تحسن بشكل مباشر من كفاءة الجهاز وسرعة التبديل والصمود الحراري. هذا هو السبب في أن جميع أجهزة الطاقة الحديثة تقريبًا تستند إلى 4H-SiC.

6H-SiC: مكانة صغيرة ولكنها لا تزال ذات قيمة

يستخدم 6H-SiC في:

• أجهزة الميكروويف

• أجهزة الألكترونيات

• أجزاء من الغاز

• أجهزة الكشف الضوئي فوق البنفسجية

• تطبيقات البحث المتخصص

نظرًا لأن خصائصها الإلكترونية تختلف مع اتجاه الكريستال ، فإنه يتيح في بعض الأحيان سلوكيات المواد غير الممكن تحقيقها مع 4H-SiC.

6أي نوع من الأنواع يجب أن يختار المهندسون؟

إذا كان الهدف:

• الجهد العالي

• كفاءة أعلى

• تردد التبديل الأعلى

• خسارة التوصيل الأقل

إذاً4H-SiCهو الخيار الواضح.

إذا كان الطلب ينطوي على:

• أبحاث المواد التجريبية

• سلوك RF المتخصصة

• التوافق بين الأجهزة القديمة

إذاً6H-SiCتبقى مفيدة.

7الاستنتاج

على الرغم من أن 4H-SiC و 6H-SiC يشتركان بنفس التركيب العضوي، فإن تسلسلات التراص المختلفة بينهما تخلق مناظر إلكترونية متميزة.4H-SiC يوفر أداءً متفوقًاوفي الوقت نفسه، 6H-SiC لا يزال يلعب دورا هاما في مجالات الالكترونيات الضوئية المتخصصة وRF.

فهم هذه الاختلافات الهيكلية والإلكترونية يساعد المهندسين على اختيار المادة المناسبة لأجهزة أشباه الموصلات من الجيل القادم.