مقدمة
يشهد قطاع إلكترونيات الطاقة تطورًا تكنولوجيًا متزايدًا بفضل رقائق كربيد السيليكون. تتميز هذه المواد شبه الموصلة المتخصصة بخصائص فريدة تجعلها الخيار الأمثل لإنتاج الأجهزة التي تتطلب ترددًا وقدرة عالية. تستكشف هذه المقالة رقائق كربيد السيليكون وخصائصها وتطبيقاتها.
خصائص رقائق كربيد السيليكون
رقاقة كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن قطعة رقيقة من مادة بلورية يتم إنتاجها من المركب أشباه الموصلاتكربيد السيليكون. ترتبط ذرات هذين العنصرين في رقاقة أشباه الموصلات معًا تساهميًا، مما يُكوّن بنية شبكية بلورية صلبة معروفة بثباتها العالي. يتميز هذا العنصر في جوهره بصلابة ملحوظة وقدرة على توصيل الحرارة مع الحفاظ على مستويات أداء جيدة في الأجهزة.
تمتلك رقائق SiC فجوة نطاق واسعة (حوالي 3.3 فولت) مما يسمح لأي جهاز يتم وضعه فيه بإنتاج أفضل نتيجة تحت درجات حرارة عالية وجهد كهربائي عالي.
تتوفر رقائق كربيد السيليكون بأشكال متعددة، وأهمها صيغتا 4H-SiC و6H-SiC المستخدمتان في مختلف القطاعات، وخاصةً في صناعة إلكترونيات الطاقة. يُمثل الحرف H بنية الشبكة البلورية للرقاقة، بينما يُمثل الرقمان 4 و6 تسلسل تراكم الذرات داخل البنية البلورية.
تتميز رقائق أو ركائز أشباه الموصلات هذه، كما تُسمى أحيانًا، بقدرتها الفائقة على نقل الحرارة من نقطة إلى أخرى، ومقاومة الأكسدة، وزيادة الكفاءة، مما يجعلها متفوقة على رقائق السيليكون. تتميز هذه الرقائق بموصلية كهربائية ممتازة؛ ولذلك تُستخدم في تطبيقات متنوعة، من المركبات الكهربائية إلى رقائق الحاسوب، والفضاء، والليزر، ومصابيح LED، والمستقبلات الضوئية، وثنائيات شوتكي، وترانزستورات موسفت (MOSFET)، والخلايا الشمسية، والدوائر المتكاملة.
بفضل قطرها القياسي الذي يتراوح بين 150 مم و200 مم ومسطحها الأنيق، تميل أجهزة رقاقة SiC إلى امتلاك سرعات تبديل أفضل وأسرع، وأحجام أصغر، ومناعة رائعة ضد ارتفاع درجة الحرارة بسبب قدرتها على إدارة درجات الحرارة العالية والجهد الكهربي.
رقائق SiC المنشطات
للتحكم في الخواص الكهربائية لرقائق كربيد السيليكون، تم اعتماد عملية تُسمى التشويب مع مرور الوقت. وتتمثل هذه العملية في إدخال شوائب إلى رقائق كربيد السيليكون من خلال تقنيات مختلفة، مثل زرع الأيونات والتشويب الثابت أثناء النمو الفوقي. وقد طُوّرت هذه التقنيات المختلفة، مع مرور الوقت، بشكل سليم، مما أدى إلى تفعيل وتركيزات مُتحكّم فيها للتشويب. ومن بين هذه التشويبات النيتروجين الغني بالإلكترونات (النوع n) والبورون، اللذين يتحكمان في موصلية النوع p.
أنواع رقائق SiC
هناك نوعان رئيسيان من رقائق SiC:
-
رقاقة SiC المصقولة
-
رقاقة SiC بلورية فوقية
رقاقة كربيد السيليكون المصقولة عبارة عن قرص واحد من كربيد السيليكون، يتكون من بلورات كربيد السيليكون عالية النقاء، تُستخدم غالبًا في الإلكترونيات عالية القدرة. وهي متوفرة بأقطار تتراوح بين 100 و150 مم.
من ناحية أخرى، تُشكَّل رقاقة كربيد السيليكون البلورية الفوقية، والتي تُسمى أيضًا الفوقية من النوع n، من إضافة عدة بلورات من كربيد السيليكون إلى سطح. هنا، يُتحكَّم بسمك المادة بدقة.
خصائص رقائق كربيد السيليكون
بعض الصفات الفريدة التي تجعل رقائق SiC متميزة هي:
1. الاستخدام الفعال للطاقة.
2. طول العمر والقدرة على العمل بترددات عالية.
3. القدرة على العمل في درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية.
4. خسائر التبديل منخفضة.
5. الموصلية الحرارية العالية
6. انخفاض التمدد الحراري.
7. حركة قوية للإلكترونات والفجوات.
8. مجال كهربائي عالي الانهيار.
9. مقاومة حرارية مثيرة للإعجاب.
10. مقاومة ممتازة للأكسدة والظروف القاسية.
مقارنة بين رقائق كربيد السيليكون الأساسية ورقائق البحث
عند اختيار رقائق كربيد السيليكون، يتوفر عادةً نوعان: رقائق كربيد السيليكون من الدرجة الأولى ورقائق كربيد السيليكون من الدرجة البحثية. مع ذلك، لكلٍّ من النوعين مزاياه وعيوبه. عند اختيار رقائق كربيد السيليكون، يجب مراعاة عوامل مثل تكلفة الشراء، وتطبيقاتها، ووجود عيوب في الكثافة.
رقائق كربيد السيليكون عالية الجودة
يمكنك استخدام هذا النوع من الرقائق في التطبيقات المتطورة التي تتطلب أداءً وموثوقيةً عاليين. تتميز رقائق كربيد السيليكون عالية الجودة هذه بمستويات نقاء عالية وكثافة عيوب منخفضة جدًا، مما يجعلها خيارًا مثاليًا. هذه الجودة تُمكّنها من الأداء الممتاز في جميع الظروف، مع تقليل الأخطاء أو انعدامها تمامًا.
رقائق SiC عالية الجودة مفيدة جدًا في قطاعات الطيران، والحوسبة المتطورة، وتكنولوجيا رقائق الحاسوب، ومحولات الطاقة، وإلكترونيات الطاقة. ويرجع ذلك إلى أن هذه القطاعات لا تقبل أي عطل، مما يجعل هذه الرقاقة أغلى ثمنًا مقارنةً بالأنواع الأخرى المخصصة للأبحاث.
الخصائص - رقائق SiC من الدرجة الأولى:
1. عادةً ما تحتوي رقائق SiC من الدرجة الأولى على مساحة قابلة للاستخدام تبلغ حوالي 90%.
2. كما أن كثافة العيوب فيها منخفضة جدًا.
3. تتمتع هذه الرقائق بكثافة أنابيب دقيقة تبلغ 5/سم².
4. أنها تظهر مقاومة موحدة تبلغ حوالي 90%.
5. تتمتع رقائق SiC من الدرجة الأولى بأفضل القيم من حيث السُمك الإجمالي والانحناء والتشوهات، مما يجعلها أشباه موصلات فعالة ومستقرة.
رقائق كربيد السيليكون بدرجة بحثية
يوفر هذا النوع من الرقاقات توازنًا بين الجودة والتكلفة. إذا كنت ترغب في التطوير، أو ابتكار أفكار وابتكارات جديدة، أو ربما ترغب في إجراء تجارب على مشاريع أشباه الموصلات، فإن رقائق كربيد السيليكون (SiC) المخصصة للبحث العلمي هي خيارك الأمثل. لا توفر هذه الرقاقات دقةً تُضاهي رقاقات كربيد السيليكون (SiC) عالية الجودة، نظرًا لكثافة عيوبها العالية وتنوعها الكبير.
على الرغم من أن هذه الرقائق لا تزال قادرة على تقديم قدر معقول من العمليات عالية المستوى، إلا أنها مصنوعة خصيصًا لتكون فعالة من حيث التكلفة ومناسبة للتجريب والمشاريع الأقل أهمية مثل العمل الأكاديمي والبحثي.
الخصائص - رقائق كربيد السيليكون ذات الدرجة البحثية:
1. تتمتع هذه الرقائق بمساحة قابلة للاستخدام تبلغ حوالي 80%.
2. كما أن لديهم كثافة عيوب أعلى، وكثافة الأنابيب الدقيقة 10/سم²
3. مقاومتها الموحدة حوالي 80%.
5. لديهم سمك أفضل ولكن ليس مثاليًا، وقيم القوس، والالتواء.
لقد رأيتَ بوضوح أنه عند اختيار رقائق SiC من الفئة الأساسية أو البحثية، فإن الخيار الأمثل لك يعتمد على الغرض الذي تنوي استخدامه من أجله. على سبيل المثال، إذا كنتَ طالبًا جامعيًا تُجري بحثًا عن أشباه موصلات جديدة، فقد تكون رقائق SiC البحثية هي الخيار الأمثل لك، لكن الأمر يختلف إذا كنتَ مُصنِّعًا تسعى لإنتاج تطبيقات متطورة حيث يكون هامش الخطأ ضئيلًا.
الطرق المختلفة التي يمكن بها تطبيق رقائق SiC
هناك العديد من المجالات التي يُمكن فيها استخدام رقائق SiC، وتشمل هذه المجالات أجهزة الطاقة مثل ثنائيات شوتكي وترانزستورات MOSFET. كما يُمكن استخدامها في الإلكترونيات الضوئية، ورقائق الحاسوب، والبنى التحتية اللاسلكية، والعمليات الجوية والعسكرية، مثل أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الرادار، وأنظمة الطاقة المتجددة التي تشمل عاكسات الطاقة الشمسية، ومحولات توربينات الرياح، ومشاريع الطاقة الكهرومائية، وغيرها.
الاتجاه الدولي الحالي لقيمة سوق رقائق السيك
إذا دققنا النظر في القيمة السوقية الحالية والاتجاهات العالمية لرقائق كربيد السيليكون، سنجد أن تطبيقاتها تشهد نموًا ملحوظًا. فمنذ اختراع تقنية الجيل الخامس (5G) وانتشارها الواسع عالميًا، شهد الطلب على رقائق كربيد السيليكون ارتفاعًا هائلًا.
في عام ٢٠٢١، ارتفعت القيمة السوقية لرقائق كربيد السيليكون (SiC) إلى حوالي ١٫٣٦٧٫٨ مليون دولار أمريكي (TP4T)، ويبلغ معدل نموها السنوي الحالي ١٩٫١١ مليون دولار أمريكي (CAGR). ورغم انخفاضها بمقدار ١٢٫١١ مليون دولار أمريكي (TP3T) في عام ٢٠٢٠ بسبب جائحة كوفيد-١٩ العالمية، يتوقع محللو السوق أن تتجاوز قيمتها ١٫٤ مليار دولار أمريكي (TP4T) بحلول عام ٢٠٢٩. ومن المثير للاهتمام أن أمريكا الشمالية أصبحت مساهمًا رئيسيًا في سوق رقائق كربيد السيليكون، بينما لا تزال شركة شين-إيتسو للكيماويات أكبر مورد لرقائق كربيد السيليكون في العالم.
ومع ذلك، هنا في GGS سيراميكنحن نقدم مزيجًا رائعًا من رقائق SiC عالية الجودة وبأسعار معقولة لتلبية احتياجاتك من أشباه الموصلات.
الأسئلة الشائعة
لماذا يتم استخدام أشباه الموصلات في الرقائق؟
تُستخدم أشباه الموصلات في الرقائق نظرًا لقدرتها على التحكم بشكل صحيح في تدفق التيارات الكهربائية في النظام دون تعطيل وظائف النظام العامة بالضرورة.
ما الذي يميز رقائق السيليكون عن رقائق كربيد السيليكون؟
تتميز رقائق كربيد السيليكون بفجوة نطاقية أكبر بعشر مرات من رقائق السيليكون. هذا يعني أنها تتحمل درجات حرارة وجهدًا أعلى، بالإضافة إلى موصلية حرارية أفضل من رقائق السيليكون.
لماذا تُستخدم رقائق أشباه الموصلات بشكل شائع في الإلكترونيات؟
تُستخدم رقائق أشباه الموصلات بشكل شائع في الإلكترونيات نظرًا لقدرتها الكامنة على توصيل التيار الكهربائي والتحكم فيه بفعالية، مما يُسهّل استخدامها كنظام تحكم في تدفق التيار الكهربائي بين مكونات الجهاز الكهربائي. وتُظهر هذه الخاصية أيضًا سبب استمرار استخدامها في إنتاج رقائق الحاسوب والدوائر المتكاملة.
خاتمة
مع استمرارها في إنتاج أداء عالٍ بتكلفة منخفضة، أصبحت رقائق كربيد السيليكون بلا منازع محفزًا رئيسيًا لنمو صناعة أشباه الموصلات عالميًا. بدءًا من تطبيقاتها العديدة في إلكترونيات الطاقة، وصولًا إلى الفضاء، والعديد من الابتكارات المذهلة الأخرى، فإنها بلا شك ستحطم الأرقام القياسية، وستسجل أرقامًا جديدة قريبًا.