อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นหัวใจสำคัญของเครื่องจักรและอุปกรณ์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ ใช้กันอย่างแพร่หลายในคอมพิวเตอร์ เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค การสื่อสารเครือข่าย อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ และอื่นๆ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐาน 4 อย่าง ได้แก่ วงจรรวม อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์แยกชิ้น และเซ็นเซอร์ ซึ่งวงจรรวมคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 80% ดังนั้นจึงมักเรียกเซมิคอนดักเตอร์ว่าวงจรรวม
วงจรรวม (Integrated circuit) ตามประเภทผลิตภัณฑ์หลัก ๆ แบ่งออกเป็น 4 ประเภท ได้แก่ ไมโครโปรเซสเซอร์ หน่วยความจำ อุปกรณ์ลอจิก และชิ้นส่วนจำลอง อย่างไรก็ตาม ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของขอบเขตการใช้งานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ทำให้มีความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูง รังสีรุนแรง กำลังไฟฟ้าสูง และสภาพแวดล้อมอื่น ๆ ได้โดยไม่เสียหาย ซึ่งวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกและรุ่นที่สองไม่สามารถตอบสนองความต้องการนี้ได้ ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามขึ้นมา
ในปัจจุบัน วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง ได้แก่ซิลิคอนคาร์ไบด์วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN), ซิงค์ออกไซด์ (ZnO), เพชร และอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ซึ่งครองตลาดด้วยข้อได้เปรียบที่มากกว่า โดยรวมแล้วเรียกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีช่องว่างพลังงานกว้างกว่า จะมีสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูงกว่า การนำความร้อนสูงกว่า อัตราการอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่า และมีความสามารถในการต้านทานรังสีสูงกว่า เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง ความถี่สูง ทนต่อรังสี และกำลังสูง โดยทั่วไปเรียกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง (ความกว้างของแถบพลังงานต้องห้ามมากกว่า 2.2 eV) หรือเรียกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อุณหภูมิสูง จากการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม พบว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์มีความก้าวหน้ามากกว่า และเทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์ถือเป็นสาขาที่มีความก้าวหน้ามากที่สุด ในขณะที่การวิจัยเกี่ยวกับซิงค์ออกไซด์ เพชร อะลูมิเนียมไนไตรด์ และวัสดุอื่นๆ ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น
วัสดุและคุณสมบัติของวัสดุ:
ซิลิคอนคาร์ไบด์วัสดุชนิดนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในตลับลูกปืนเซรามิก วาล์ว วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ไจโรสโคป เครื่องมือวัด การบินและอวกาศ และสาขาอื่นๆ จนกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในหลายอุตสาหกรรม
SiC เป็นซูเปอร์แลตติซธรรมชาติชนิดหนึ่งและเป็นโพลีไทป์เอกพันธุ์ทั่วไป มีตระกูลโพลีไทป์เอกพันธุ์มากกว่า 200 ตระกูล (ที่รู้จักในปัจจุบัน) เนื่องจากความแตกต่างในลำดับการจัดเรียงตัวระหว่างชั้นอะตอมคู่ของ Si และ C ซึ่งนำไปสู่โครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ดังนั้น SiC จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุพื้นผิวของไดโอดเปล่งแสง (LED) รุ่นใหม่ และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง
| ลักษณะเฉพาะ | |
| คุณสมบัติทางกายภาพ | มีความแข็งสูง (3000 กก./มม.) สามารถตัดทับทิมได้ |
| ทนทานต่อการสึกหรอสูง เป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น | |
| ค่าการนำความร้อนสูงกว่าซิลิคอนถึง 3 เท่า และสูงกว่าแกลเลียมอาร์เซนิกถึง 8-10 เท่า | |
| ซิลิกาคาร์ไบด์ (SiC) มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงและไม่สามารถหลอมเหลวได้ที่ความดันบรรยากาศ | |
| ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์กำลังสูง | |
|
คุณสมบัติทางเคมี | ทนทานต่อการกัดกร่อนสูงมาก ทนต่อสารกัดกร่อนเกือบทุกชนิดที่อุณหภูมิห้อง |
| พื้นผิว SiC เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ง่ายจนเกิดเป็น SiO ซึ่งชั้นบางๆ สามารถป้องกันการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติมได้ ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1700℃ ฟิล์มออกไซด์จะหลอมเหลวและเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็ว | |
| ช่องว่างพลังงานของ 4H-SIC และ 6H-SIC มีค่าประมาณ 3 เท่าของ Si และ 2 เท่าของ GaAs: ความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวนั้นสูงกว่าซิลิคอนหลายเท่า และความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนถึงจุดอิ่มตัวแล้ว มีค่าเป็นสองเท่าครึ่งของ Si ช่องว่างพลังงานของ 4H-SIC กว้างกว่าของ 6H-SIC |
วันที่โพสต์: 1 สิงหาคม 2565