Propiedades eléctricas del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto sintético de silicio y carbono extremadamente duradero que se utiliza en muchos hornos industriales, desde revestimientos y elementos calefactores hasta abrasivos como el papel de lija.

Gracias a su estructura atómica única, funciona como un semiconductor y permite controlar sus propiedades eléctricas. Además, su banda prohibida es tres veces mayor que la de los semiconductores de silicio estándar y puede soportar tensiones más altas.

Semiconductor

El carburo de silicio, también denominado carborundo, es un excelente material semiconductor que se caracteriza por sus excepcionales propiedades eléctricas en entornos de alta temperatura y tensión. Se utiliza mucho en dispositivos semiconductores de potencia, como diodos y transistores, que requieren una alta tensión de ruptura y pueden funcionar a altas temperaturas; su amplia brecha energética ofrece múltiples ventajas sobre los dispositivos tradicionales basados en silicio para una mayor densidad de corriente y velocidades de conmutación más rápidas.

La electrónica de potencia de SiC ofrece muchas ventajas sobre las versiones basadas en silicio, como la robustez física y la conductividad térmica, pero su mayor coste hace prohibitiva su adopción generalizada. Los fabricantes están desarrollando tecnologías que hagan que el SiC sea más competitivo en costes frente a la electrónica de potencia tradicional de silicio; los retos clave para aumentar la eficiencia de los dispositivos incluyen el aumento de los voltajes de ruptura y la disminución de la resistencia al encendido.

El carburo de silicio en estado puro actúa como aislante; sin embargo, sus propiedades de semiconducción pueden explotarse mediante el dopaje controlado con impurezas que introducen electrones o huecos que reducen la resistividad para permitir que la corriente eléctrica pase a través de él más libremente y formar dispositivos semiconductores de potencia como diodos, transistores y tiristores.

El creciente interés por la energía verde trae consigo un aumento de la demanda de electrónica de potencia de carburo de silicio. Este material presenta una amplia banda prohibida para conducir más electricidad a temperaturas más altas, mientras que su baja resistividad lo hace ideal para aplicaciones de alto voltaje. El carburo de silicio también gestiona eficazmente grandes campos eléctricos con menores pérdidas de conmutación y producción de calor, dos factores cruciales para aumentar la eficiencia.

Las propiedades del carburo de silicio vienen determinadas por su estructura y su red cristalina. Como semiconductor cúbico con tres tipos distintos que varían en composición y propiedades, la forma más popular del carburo de silicio, conocida como 3C-SiC, presenta una estructura cristalina cúbica con una velocidad de saturación 2,7 veces superior a la del silicio. Por su parte, el 4H-SiC y el 6H-SiC poseen estructuras cristalinas hexagonales.

Dependiendo de sus condiciones de procesamiento y porosidad, la resistividad eléctrica del carburo de silicio poroso (pSiC) puede variar significativamente, siendo mayor la variación que se produce con los materiales sinterizados en nitrógeno (b-SiC). La menor resistividad eléctrica de los materiales sinterizados con mayor dopaje de nitrógeno es responsable de su menor resistencia; esto es probablemente atribuible a su menor número de aceptores profundos generados por el dopaje de Sc o Al.

El material b-SiC poroso viene con un núcleo de carbono o de tungsteno. Las fibras de b-SiC poroso con núcleo de carbono presentan una composición intermedia entre carbono rico cerca de su interfaz y carburo de silicio más estequiométrico hacia su superficie; las de b-SiC con núcleo de tungsteno presentan un manto exterior de carburo de silicio puro; ambos tipos presentan una concentración intrínseca de portadores dependiente de la temperatura que permite a los dispositivos de potencia minimizar el deterioro bipolar, lo que se traduce en un aumento de la RDS(ON) en los MOSFET o en una disminución de la VSD en los diodos de cuerpo, respectivamente.

Aislador

El carburo de silicio puede actuar como conductor o aislante eléctrico en función de su fabricación y composición. Sus excelentes propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y de desgaste hacen del carburo de silicio un material excelente para aplicaciones como el calentamiento por resistencia y los encendedores de llama, así como para componentes electrónicos y piezas resistentes al desgaste. Además, puede combinarse con otros materiales para formar compuestos con resistencia eléctrica controlada, como nitruros o carburos metálicos, añadiendo nitruros o carburos metálicos a su composición.

Una propiedad clave de cualquier material que determina su conductividad o aislamiento es su banda prohibida. Se refiere a la energía que necesitan los electrones para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. Los conductores tienen bandas mucho más anchas que los aislantes y, por tanto, pueden soportar tensiones más altas. El carburo de silicio destaca entre estas opciones con un bandgap tres veces mayor que el silicio estándar, lo que lo convierte en una excelente opción para aplicaciones de alta tensión.

El carburo de silicio en estado puro actúa como aislante; sin embargo, cuando se le añaden impurezas o dopantes puede presentar propiedades semiconductoras. Al doparlo con aluminio, boro y galio, se crea un semiconductor de tipo p, mientras que impurezas como el nitrógeno y el fósforo ayudan a convertirlo en un semiconductor de tipo N. Con el tiempo, incluso puede llegar a ser superconductor.

Entre las cualidades del carburo de silicio que lo hacen idóneo para la fabricación de dispositivos semiconductores se encuentran su amplia banda prohibida, su alto punto de fusión, su baja constante dieléctrica y su alta velocidad de deriva de electrones saturados. Además, el carburo de silicio presenta una tensión crítica de ruptura mucho mayor que la del silicio, lo que permite capas de deriva más finas y mayores concentraciones de dopaje, así como una menor resistencia a la conexión para mejorar los dispositivos de potencia con menor eficiencia de pérdida de potencia.

El carburo de silicio puede convertirse en una fina película con una conductividad eléctrica excepcional, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que se necesita una alta densidad de potencia. El depósito puede realizarse en condiciones de vacío para minimizar la contaminación por gases o partículas de polvo, mientras que la formación sobre un aislante proporciona resistencia al calor y a los golpes.

Integrar materiales de SiC sobre aislante en los dispositivos exige tener muy en cuenta su rendimiento, tamaño y coste. Aunque el SiC tiene excelentes propiedades eléctricas que le permiten sustituir a los aislantes tradicionales, su complejo proceso de fabricación limita su adopción. Además, a medida que aumenta la demanda de electrónica de alta potencia, los materiales capaces de soportar temperaturas y niveles de tensión más elevados que los dispositivos aislantes convencionales son cada vez más populares en este mercado, lo que impulsa aún más las ventas de dispositivos de carburo de silicio sobre aislante.

Transistor

El semiconductor de carburo de silicio es el material ideal para aplicaciones de potencia, ya que ofrece mayor resistencia a la tensión que los dispositivos fabricados con silicio. Además, con su mayor movilidad de electrones y sus reducidas pérdidas de potencia, los diodos y transistores de carburo de silicio son una opción excelente para su uso en convertidores, inversores, cargadores de baterías y sistemas de control de motores.

Los estudiosos de la física están intrigados por las propiedades eléctricas de materiales 2D como el grafeno, pero su falta de banda prohibida plantea un problema para la investigación. Cuando se activa, la corriente fluye rápidamente en su estado encendido, pero no puede volver a apagarse con facilidad; por el contrario, el bandgap más amplio del carburo de silicio permite que la corriente fluya libremente tanto en estado encendido como apagado.

La conductividad térmica superior del carburo de silicio es una de sus mayores ventajas, ya que le permite disipar el calor mucho más rápido que el silicio, incluso cuando conduce grandes cantidades de electricidad a través de los dispositivos. Un dispositivo de carburo de silicio tan grueso como otros comparables de silicio puede soportar un voltaje diez veces superior porque su campo eléctrico no necesita extenderse por tanto material.

Las propiedades eléctricas del carburo de silicio pueden ajustarse mediante un proceso conocido como dopaje, que consiste en inyectar impurezas en su estructura cristalina para alterar las estructuras atómicas y permitir que más portadores de carga libres (electrones y huecos) se muevan libremente a través de él. El dopaje es una práctica muy extendida en la industria de los semiconductores para modificar las propiedades de los materiales.

En un transistor típico de carburo de silicio, ambas capas se dopan de forma diferente para formar canales por los que circule la corriente. La capa n puede estar dopada con nitrógeno o fósforo, mientras que la capa p puede estar dopada con berilio, aluminio o boro para permitir el paso de la corriente. La puerta actúa como punto de contacto entre estas capas; cargarla negativa o positivamente encenderá o apagará el transistor, respectivamente.

Al pasar del estado de encendido, que transporta corriente, al de apagado, que bloquea la tensión, hay un breve periodo en el que los electrones expuestos a alta tensión son arrastrados por el dispositivo y disipados en forma de calor; este periodo se conoce como tiempo de recuperación inversa. Los transistores de carburo de silicio ofrecen tiempos de recuperación inversa cinco veces más cortos que sus homólogos de silicio, lo que los hace idóneos para aplicaciones de conmutación de alta velocidad.

El carburo de silicio será cada vez más vital en la transición de los combustibles fósiles a formas de energía más limpias, ya que proporciona dureza, resistencia al desgaste y unas propiedades eléctricas impresionantes que podrían reimaginar las redes de energía al eliminar los voluminosos transformadores de las subestaciones y aumentar al mismo tiempo la eficiencia a lo largo de su recorrido hasta los consumidores.