El carburo de silicio (SiC) es un compuesto sint\u00e9tico 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.<\/p>\n
Gracias a su estructura at\u00f3mica \u00fanica, funciona como un semiconductor y permite controlar sus propiedades el\u00e9ctricas. Adem\u00e1s, su banda prohibida es tres veces mayor que la de los semiconductores de silicio est\u00e1ndar y puede soportar tensiones m\u00e1s altas.<\/p>\n
El carburo de silicio, tambi\u00e9n denominado carborundo, es un excelente material semiconductor que se caracteriza por sus excepcionales propiedades el\u00e9ctricas en entornos de alta temperatura y tensi\u00f3n. Se utiliza mucho en dispositivos semiconductores de potencia, como diodos y transistores, que requieren una alta tensi\u00f3n de ruptura y pueden funcionar a altas temperaturas; su amplia brecha energ\u00e9tica ofrece m\u00faltiples ventajas sobre los dispositivos tradicionales basados en silicio para una mayor densidad de corriente y velocidades de conmutaci\u00f3n m\u00e1s r\u00e1pidas.<\/p>\n
La electr\u00f3nica de potencia de SiC ofrece muchas ventajas sobre las versiones basadas en silicio, como la robustez f\u00edsica y la conductividad t\u00e9rmica, pero su mayor coste hace prohibitiva su adopci\u00f3n generalizada. Los fabricantes est\u00e1n desarrollando tecnolog\u00edas que hagan que el SiC sea m\u00e1s competitivo en costes frente a la electr\u00f3nica 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 disminuci\u00f3n de la resistencia al encendido.<\/p>\n
El carburo de silicio en estado puro act\u00faa como aislante; sin embargo, sus propiedades de semiconducci\u00f3n pueden explotarse mediante el dopaje controlado con impurezas que introducen electrones o huecos que reducen la resistividad para permitir que la corriente el\u00e9ctrica pase a trav\u00e9s de \u00e9l m\u00e1s libremente y formar dispositivos semiconductores de potencia como diodos, transistores y tiristores.<\/p>\n
El creciente inter\u00e9s por la energ\u00eda verde trae consigo un aumento de la demanda de electr\u00f3nica de potencia de carburo de silicio. Este material presenta una amplia banda prohibida para conducir m\u00e1s electricidad a temperaturas m\u00e1s altas, mientras que su baja resistividad lo hace ideal para aplicaciones de alto voltaje. El carburo de silicio tambi\u00e9n gestiona eficazmente grandes campos el\u00e9ctricos con menores p\u00e9rdidas de conmutaci\u00f3n y producci\u00f3n de calor, dos factores cruciales para aumentar la eficiencia.<\/p>\n
Las propiedades del carburo de silicio vienen determinadas por su estructura y su red cristalina. Como semiconductor c\u00fabico con tres tipos distintos que var\u00edan en composici\u00f3n y propiedades, la forma m\u00e1s popular del carburo de silicio, conocida como 3C-SiC, presenta una estructura cristalina c\u00fabica con una velocidad de saturaci\u00f3n 2,7 veces superior a la del silicio. Por su parte, el 4H-SiC y el 6H-SiC poseen estructuras cristalinas hexagonales.<\/p>\n
Dependiendo de sus condiciones de procesamiento y porosidad, la resistividad el\u00e9ctrica del carburo de silicio poroso (pSiC) puede variar significativamente, siendo mayor la variaci\u00f3n que se produce con los materiales sinterizados en nitr\u00f3geno (b-SiC). La menor resistividad el\u00e9ctrica de los materiales sinterizados con mayor dopaje de nitr\u00f3geno es responsable de su menor resistencia; esto es probablemente atribuible a su menor n\u00famero de aceptores profundos generados por el dopaje de Sc o Al.<\/p>\n
El material b-SiC poroso viene con un n\u00facleo de carbono o de tungsteno. Las fibras de b-SiC poroso con n\u00facleo de carbono presentan una composici\u00f3n intermedia entre carbono rico cerca de su interfaz y carburo de silicio m\u00e1s estequiom\u00e9trico hacia su superficie; las de b-SiC con n\u00facleo de tungsteno presentan un manto exterior de carburo de silicio puro; ambos tipos presentan una concentraci\u00f3n intr\u00ednseca 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 disminuci\u00f3n de la VSD en los diodos de cuerpo, respectivamente.<\/p>\n
El carburo de silicio puede actuar como conductor o aislante el\u00e9ctrico en funci\u00f3n de su fabricaci\u00f3n y composici\u00f3n. Sus excelentes propiedades el\u00e9ctricas, mec\u00e1nicas, t\u00e9rmicas y de desgaste hacen del carburo de silicio un material excelente para aplicaciones como el calentamiento por resistencia y los encendedores de llama, as\u00ed como para componentes electr\u00f3nicos y piezas resistentes al desgaste. Adem\u00e1s, puede combinarse con otros materiales para formar compuestos con resistencia el\u00e9ctrica controlada, como nitruros o carburos met\u00e1licos, a\u00f1adiendo nitruros o carburos met\u00e1licos a su composici\u00f3n.<\/p>\n
Una propiedad clave de cualquier material que determina su conductividad o aislamiento es su banda prohibida. Se refiere a la energ\u00eda que necesitan los electrones para pasar de la banda de valencia a la banda de conducci\u00f3n. Los conductores tienen bandas mucho m\u00e1s anchas que los aislantes y, por tanto, pueden soportar tensiones m\u00e1s altas. El carburo de silicio destaca entre estas opciones con un bandgap tres veces mayor que el silicio est\u00e1ndar, lo que lo convierte en una excelente opci\u00f3n para aplicaciones de alta tensi\u00f3n.<\/p>\n
El carburo de silicio en estado puro act\u00faa como aislante; sin embargo, cuando se le a\u00f1aden 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 nitr\u00f3geno y el f\u00f3sforo ayudan a convertirlo en un semiconductor de tipo N. Con el tiempo, incluso puede llegar a ser superconductor.<\/p>\n
Entre las cualidades del carburo de silicio que lo hacen id\u00f3neo para la fabricaci\u00f3n de dispositivos semiconductores se encuentran su amplia banda prohibida, su alto punto de fusi\u00f3n, su baja constante diel\u00e9ctrica y su alta velocidad de deriva de electrones saturados. Adem\u00e1s, el carburo de silicio presenta una tensi\u00f3n cr\u00edtica de ruptura mucho mayor que la del silicio, lo que permite capas de deriva m\u00e1s finas y mayores concentraciones de dopaje, as\u00ed como una menor resistencia a la conexi\u00f3n para mejorar los dispositivos de potencia con menor eficiencia de p\u00e9rdida de potencia.<\/p>\n
El carburo de silicio puede convertirse en una fina pel\u00edcula con una conductividad el\u00e9ctrica excepcional, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que se necesita una alta densidad de potencia. El dep\u00f3sito puede realizarse en condiciones de vac\u00edo para minimizar la contaminaci\u00f3n por gases o part\u00edculas de polvo, mientras que la formaci\u00f3n sobre un aislante proporciona resistencia al calor y a los golpes.<\/p>\n
Integrar materiales de SiC sobre aislante en los dispositivos exige tener muy en cuenta su rendimiento, tama\u00f1o y coste. Aunque el SiC tiene excelentes propiedades el\u00e9ctricas que le permiten sustituir a los aislantes tradicionales, su complejo proceso de fabricaci\u00f3n limita su adopci\u00f3n. Adem\u00e1s, a medida que aumenta la demanda de electr\u00f3nica de alta potencia, los materiales capaces de soportar temperaturas y niveles de tensi\u00f3n m\u00e1s elevados que los dispositivos aislantes convencionales son cada vez m\u00e1s populares en este mercado, lo que impulsa a\u00fan m\u00e1s las ventas de dispositivos de carburo de silicio sobre aislante.<\/p>\n
El semiconductor de carburo de silicio es el material ideal para aplicaciones de potencia, ya que ofrece mayor resistencia a la tensi\u00f3n que los dispositivos fabricados con silicio. Adem\u00e1s, con su mayor movilidad de electrones y sus reducidas p\u00e9rdidas de potencia, los diodos y transistores de carburo de silicio son una opci\u00f3n excelente para su uso en convertidores, inversores, cargadores de bater\u00edas y sistemas de control de motores.<\/p>\n
Los estudiosos de la f\u00edsica est\u00e1n intrigados por las propiedades el\u00e9ctricas de materiales 2D como el grafeno, pero su falta de banda prohibida plantea un problema para la investigaci\u00f3n. Cuando se activa, la corriente fluye r\u00e1pidamente en su estado encendido, pero no puede volver a apagarse con facilidad; por el contrario, el bandgap m\u00e1s amplio del carburo de silicio permite que la corriente fluya libremente tanto en estado encendido como apagado.<\/p>\n
La conductividad t\u00e9rmica superior del carburo de silicio es una de sus mayores ventajas, ya que le permite disipar el calor mucho m\u00e1s r\u00e1pido que el silicio, incluso cuando conduce grandes cantidades de electricidad a trav\u00e9s 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 el\u00e9ctrico no necesita extenderse por tanto material.<\/p>\n
Las propiedades el\u00e9ctricas 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 at\u00f3micas y permitir que m\u00e1s portadores de carga libres (electrones y huecos) se muevan libremente a trav\u00e9s de \u00e9l. El dopaje es una pr\u00e1ctica muy extendida en la industria de los semiconductores para modificar las propiedades de los materiales.<\/p>\n
En un transistor t\u00edpico 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 nitr\u00f3geno o f\u00f3sforo, mientras que la capa p puede estar dopada con berilio, aluminio o boro para permitir el paso de la corriente. La puerta act\u00faa como punto de contacto entre estas capas; cargarla negativa o positivamente encender\u00e1 o apagar\u00e1 el transistor, respectivamente.<\/p>\n
Al pasar del estado de encendido, que transporta corriente, al de apagado, que bloquea la tensi\u00f3n, hay un breve periodo en el que los electrones expuestos a alta tensi\u00f3n son arrastrados por el dispositivo y disipados en forma de calor; este periodo se conoce como tiempo de recuperaci\u00f3n inversa. Los transistores de carburo de silicio ofrecen tiempos de recuperaci\u00f3n inversa cinco veces m\u00e1s cortos que sus hom\u00f3logos de silicio, lo que los hace id\u00f3neos para aplicaciones de conmutaci\u00f3n de alta velocidad.<\/p>\n
El carburo de silicio ser\u00e1 cada vez m\u00e1s vital en la transici\u00f3n de los combustibles f\u00f3siles a formas de energ\u00eda m\u00e1s limpias, ya que proporciona dureza, resistencia al desgaste y unas propiedades el\u00e9ctricas impresionantes que podr\u00edan reimaginar las redes de energ\u00eda al eliminar los voluminosos transformadores de las subestaciones y aumentar al mismo tiempo la eficiencia a lo largo de su recorrido hasta los consumidores.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
El carburo de silicio (SiC) es un compuesto sint\u00e9tico 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 at\u00f3mica \u00fanica, funciona como semiconductor y permite controlar sus propiedades el\u00e9ctricas. Adem\u00e1s, su banda prohibida es tres veces ...<\/p>\n