Le caratteristiche del carburo di silicio

Conduttività termica

La conduttività termica è una misura della facilità con cui il calore viene trasferito attraverso un materiale. Questa è una proprietà chiave dei semiconduttori, poiché indica la misura in cui un materiale è in grado di dissipare efficacemente il calore (accumulo di calore dovuto all'aumento di potenza dovuto all'aumento di corrente), aumentando così le sue capacità di tensione e corrente.

La conduttività termica del silicio è di 130 W/(m⋅K), che è significativamente inferiore a quella del carburo di silicio (490 W/(m⋅K), consentendo ai semiconduttori di carburo di silicio di dissipare il calore in modo più efficiente e resistere a tensioni operative più elevate.

Dilatazione termica

L'espansione termica avviene quando un materiale cambia forma o dimensione – ma non cambia fase – a causa di un cambiamento di temperatura, ad esempio da liquido a gas. Un esempio comune è l'applicazione di acqua calda al tappo di una bottiglia bloccato per consentirne il rigonfiamento e facilitarne l'apertura.

Il carburo di silicio ha un coefficiente di espansione termica molto basso, il che significa che mantiene meglio la sua forma, resistenza e prestazioni alle alte temperature (e alte tensioni), cosa che il silicio potrebbe non essere in grado di fare.

Intensità del campo elettrico

Altre due proprietà chiave e rilevanti dei semiconduttori sono il band gap del materiale e la massima intensità del campo elettrico.

In una molecola di materiale semiconduttore, gli elettroni si muovono tra diverse bande: l'area che devono occupare perché non esiste uno stato energetico tra le bande. Il band gap (o gap energetico) è l'energia necessaria affinché un elettrone effettui la transizione dalla banda di valenza a quella di conduzione, consentendo la conduzione dell'elettricità. Quando i semiconduttori ricevono energia elettrica ed entrano in questo stato conduttivo, mostrano proprietà ibride isolante/conduttore uniche.

I semiconduttori al carburo di silicio hanno un gap energetico tre volte superiore rispetto ai semiconduttori a base di silicio, il che consente loro di resistere a intensità di campo elettrico più elevate rispetto al silicio, consentendo loro di funzionare a tensioni e temperature più elevate.

I semiconduttori al carburo di silicio hanno un ampio gap energetico e possono resistere e dissipare il calore meglio dei semiconduttori a base di silicio. Hanno anche altri vantaggi:

L'elevato gap energetico del carburo di silicio è molto utile nelle applicazioni ad alta potenza poiché il maggiore gap energetico consente dispositivi a semiconduttore più piccoli con prestazioni operative più elevate.

Per i diodi, un tipo comune di dispositivo a semiconduttore, la tensione di rottura è la tensione alla quale una corrente applicata inversa può fluire attraverso il diodo. L'elevata tensione di rottura del carburo di silicio lo rende ideale per i MOSFET.

Ciò porta a un'altra importante caratteristica dei semiconduttori nei MOSFET: il tempo di recupero inverso. Se il MOSFET entra in uno stato di polarizzazione inversa, il tempo necessario per tornare allo stato normale è noto come tempo di recupero inverso. Durante questo periodo, la corrente può fluire nella direzione opposta e il sistema subisce una perdita di energia. In questi casi, i dispositivi SiC hanno tempi di recupero inverso estremamente rapidi e perdite di energia trascurabili, il che non è il caso dei dispositivi Si.

Il carburo di silicio è più flessibile del silicio in termini di drogaggio (aggiunta di impurità). Può essere personalizzato per condurre elettricità solo in condizioni specifiche, come la luce sottoposta a un'intensità specifica (infrarossi, visibili o ultravioletti), il che rende i semiconduttori al carburo di silicio più versatili.