Semikonduktor memungkinkan perangkat elektronik kita menghubungkan seluruh dunia. Silikon (Si) telah lama menjadi bahan utama semikonduktor, namun alternatif baru adalah silikon karbida (SiC).
Bahan semikonduktor mempunyai sifat yang unik, seperti daya hantar listrik antara isolator dan konduktor, dengan sifat keduanya; dan resistivitas rendah pada suhu tinggi, sehingga cocok untuk digunakan dalam chip komputer.
Sifat-sifat semikonduktor dapat disesuaikan dengan menambahkan pengotor (doping) pada struktur molekulnya. Hal ini mengubah jalur aliran elektron melalui silikon dan silikon karbida dan memungkinkan penyesuaian untuk berbagai aplikasi elektronik.
Perangkat SiC jauh melampaui perangkat Si dalam hal-karakteristik semikonduktor yang banyak dicari, menjadikannya pemain kunci dalam upaya mencapai efisiensi dan kinerja yang lebih baik.
Apa Karakteristik Silikon Karbida?
Karena struktur atomnya, silikon karbida (SiC) memiliki sifat yang berbeda dengan silikon murni. Struktur kristal silikon memungkinkannya membentuk kisi dasar yang terhubung ke empat atom silikon yang berdekatan. Namun, silikon bergabung dengan karbon untuk membentuk tetrahedron yang padat dengan empat atom karbon diselingi dengan atom silikon, menghasilkan struktur kristal yang memaksimalkan kepadatan daya, efisiensi, dan keandalan.
Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah ukuran seberapa mudah panas dapat ditransfer melalui suatu material. Ini adalah karakteristik utama semikonduktor karena menunjukkan sejauh mana suatu bahan mampu menghilangkan panas secara efisien (penumpukan panas karena peningkatan daya sebagai akibat dari peningkatan arus), sehingga meningkatkan kemampuan tegangan dan arusnya.
Konduktivitas termal silikon sebesar 130 W/(m⋅K) secara signifikan lebih rendah daripada silikon karbida sebesar 490 W/(m⋅K), sehingga semikonduktor silikon karbida dapat menghilangkan panas dengan lebih efisien dan menahan tegangan pengoperasian yang lebih tinggi.
Ekspansi Termal
Ekspansi termal terjadi ketika suatu bahan berubah bentuk atau ukuran - tetapi tidak berubah fasa - karena perubahan suhu, misalnya dari cair menjadi gas. Contoh umum adalah mengoleskan air panas ke tutup botol yang tersangkut untuk melebarkannya agar bisa dibuka.
Silikon karbida memiliki koefisien muai panas yang sangat rendah, yang berarti ia lebih mampu mempertahankan bentuk, kekuatan, dan sifatnya pada suhu tinggi (dan tegangan tinggi), yang mungkin tidak dapat dilakukan oleh silikon.
Kekuatan Medan Listrik
Dua sifat semikonduktor penting dan terkait lainnya adalah celah pita material dan kekuatan medan listrik maksimum.
Dalam molekul bahan semikonduktor, elektron berpindah di antara pita energi yang berbeda: wilayah yang harus ditempati karena tidak ada keadaan energi di antara pita tersebut. Celah pita (atau celah energi) adalah jumlah energi yang dibutuhkan elektron untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, sehingga memungkinkan terjadinya konduktivitas listrik. Ketika semikonduktor menerima energi listrik dan memasuki keadaan konduktif ini, semikonduktor menunjukkan sifat hibrid isolator/konduktor yang unik.
Semikonduktor silikon karbida memiliki kesenjangan energi tiga kali lebih tinggi dibandingkan semikonduktor berbasis silikon, yang memungkinkannya menahan kekuatan medan listrik yang lebih tinggi dibandingkan silikon sehingga dapat beroperasi pada voltase dan suhu yang lebih tinggi.
Keunggulan Semikonduktor Silikon Karbida
Seperti disebutkan di atas, semikonduktor silikon karbida memiliki kesenjangan energi yang lebih besar, sehingga memungkinkannya menahan dan menghilangkan panas dengan lebih baik dibandingkan dengan semikonduktor berbasis silikon-. Mereka juga menawarkan keuntungan lain:
Kesenjangan energi yang tinggi pada silikon karbida berguna dalam-aplikasi berdaya tinggi karena kesenjangan energi yang lebih tinggi memungkinkan perangkat semikonduktor yang lebih kecil dan kinerja pengoperasian yang lebih tinggi.
Untuk dioda, perangkat semikonduktor yang umum, tegangan rusaknya adalah tegangan di mana arus balik dapat mengalir melalui dioda. Tegangan tembus silikon karbida yang tinggi membuatnya ideal untuk MOSFET.
Hal ini mengarah pada karakteristik semikonduktor penting lainnya dalam MOSFET: waktu pemulihan terbalik. Jika MOSFET mengalami bias balik, waktu yang diperlukan untuk kembali ke keadaan normal disebut waktu pemulihan balik. Selama ini, arus dapat mengalir ke arah sebaliknya dan sistem mengalami kehilangan energi. Dalam kasus ini, perangkat SiC memiliki waktu pemulihan balik yang sangat cepat dan kehilangan energi yang dapat diabaikan, sedangkan perangkat Si tidak.
Silikon karbida memiliki fleksibilitas lebih dalam doping (menambahkan pengotor) dibandingkan silikon. Ini dapat disesuaikan untuk menghantarkan listrik hanya dalam kondisi tertentu, seperti mengalami intensitas cahaya tertentu (inframerah, tampak, atau ultraviolet), yang memberikan lebih banyak aplikasi semikonduktor SiC.
