A adopção de semicondutores de potência de carboneto de silício (SiC) em tudo, desde veículos eléctricos a PV solar e motores industriais está a acelerar, mas de onde vem o material? O que há de tão especial nele? E porque demorou tanto tempo para o SiC ganhar tracção na indústria de semicondutores, quando foi usado pela primeira vez como base para detectores de rádio há mais de um século?
Pó nas botas
A crosta terrestre compreende cerca de 28% de silício e 0,03% de carbono, por isso pode pensar que encontrará Carboneto de Silício (SiC) suficiente para fazer com que alguns semicondutores fiquem presos à sola das botas depois de uma longa caminhada no campo. Se a caminhada fosse por cima de uma cratera de impacto de meteoro você poderia encontrar algumas partículas – o único SiC que ocorre naturalmente é na forma de Moissonite, detritos de uma supernova ou ejecta de estrelas gigantes vermelhas ricas em carbono pegas no espaço e terminando como partículas do tamanho de microns em meteoritos. Stardust de fato.
Podemos nunca ter notado a existência do SiC, mas em 1891 o inventor americano Edward G Acheson estava tentando encontrar uma forma de produzir diamantes artificiais, aquecendo argila (silicato de alumínio) e carbono. Ele notou cristais hexagonais brilhantes ligados à luz de arco de carbono usada para aquecimento e chamou o composto de carborundum, pensando que era uma forma de alumina cristalizada como o coríndon. Ele pode ter pensado que teria atingido o segundo melhor, pois rubis e safiras são tipos de coríndon, mas percebeu que tinha algo novo, um composto quase tão duro quanto o diamante que poderia ser feito como lascas ou pó em uma escala industrial com aplicação como abrasivo.
Os LEDs de SiC vieram antes dos transistores
No século XX, os experimentadores estavam descobrindo que cristais de várias substâncias como o germânio podiam dar ‘passagem não simétrica de corrente’ ou retificação como nós a conheceríamos, que encontrou uso em rádios ‘cristalinos’. Quando se tentou o carboneto de silício, ocorreu um estranho fenômeno; o cristal brilhava amarelo, às vezes verde, laranja ou mesmo azul. O primeiro LED tinha sido descoberto, quarenta anos antes do transistor.
Como um LED, o SiC foi logo substituído por arsenieto de gálio e nitreto de gálio com emissão 10-100 vezes melhor, mas, como material, o SiC ainda gerou interesse no mundo eletrônico; ele tem uma condutividade térmica 3,5 vezes melhor do que o silício e pode ser fortemente dopado para alta condutividade, mantendo ainda a alta quebra do campo elétrico. Mecanicamente, é muito duro, inerte e tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo e alta temperatura nominal. O SiC nem sequer derrete – sublima-se em cerca de 2700⁰C.
SiC faz bem
SiC era conhecido como um bom candidato para um dispositivo semicondutor muito cedo, então o que o reteve e deixou o silício tornar-se o padrão? O principal problema era a eliminação de defeitos nos cristais de SiC, a lista é longa: deslocamentos de bordas, deslocamentos de parafusos de diferentes tipos, defeitos triangulares e deslocamentos do plano basal. O efeito do cristal menos que perfeito foi um péssimo desempenho de bloqueio reverso, tornando as peças essencialmente inutilizáveis eletricamente. Também houve problemas na interface do SiC com o dióxido de silício (SiO2) para fabricar os populares tipos de dispositivos MOSFET e IGBT. O desenvolvimento contínuo, no entanto, melhorou a qualidade de tal forma que os wafers de 6 polegadas podem dar um rendimento aceitável e um avanço chamado nitretação ou recozimento em dióxido de nitrogênio ou óxido de nitrogênio permite que as películas de SiO2 cresçam em SiC de forma confiável.
De rochas no espaço para rochas no dedo
SiC evoluiu de um abrasivo na sua mó abrasiva através de uma curiosidade elétrica incandescente para a tecnologia de semicondutores permitindo veículos e inversores elétricos de longo alcance em energia solar de economia planetária. Ah, e a propósito, o sonho da Acheson era tão bom quanto realizado – gemas SiC ou Moissanite são dificilmente distinguíveis de diamantes puros.
Saiba mais sobre como os Cascódigos SiC superam em Aplicações Práticas em unitedsic.com/downloads.
Por Anup Bhalla, VP Engenharia da UnitedSiC (www.unitedsic.com)
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