كربيد السيليكون يقود ثورة في مجال إلكترونيات الطاقة

تتمتع SiC بفجوة نطاق موسعة تمكن أنظمة الطاقة من العمل في درجات حرارة وفولتية وترددات أعلى دون تكبد تكاليف إضافية في قائمة المواد الأولية مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف الإجمالية وزيادة كفاءة الأجهزة وصغر حجمها.

كان كربيد السيليكون، حتى عام 1929 عندما تم تطوير كربيد البورون، أقوى مادة اصطناعية معروفة مع معدل صلابة موس 9، ويمكن مقارنتها بشكل وثيق مع الماس.

الخصائص الفيزيائية

تُحدث الخصائص الفيزيائية والكهربائية الرائعة لكربيد السيليكون ثورة غير مسبوقة في مجال إلكترونيات الطاقة. وباعتباره من أشباه الموصلات ذات فجوة النطاقات الواسعة، فإنه يوفر فرصًا لإلكترونيات أصغر وأسرع وأكثر موثوقية يمكنها التعامل مع درجات حرارة وفولتية وترددات أعلى من نظيراتها من السيليكون.

وتعتمد الأنظمة الشمسية اعتمادًا كبيرًا على الانعكاسية لتحقيق طول العمر الافتراضي العالي الذي تتطلبه من أجل العمل بشكل مستمر لسنوات طويلة. كما تُستخدم الانعكاسية أيضاً كمواد هيكلية في السترات الواقية من الرصاص والدروع المركبة وكذلك في قطع غيار السيارات (أقراص المكابح) ومانعات الصواعق والمواد الكاشطة ومواد المرايا في المراصد.

اكتُشف كربيد السيليكون لأول مرة كمعدن المويسانيت في عام 1893 أثناء انفجار نيزك كانيون ديابلو في أريزونا، وتم تصنيعه لأول مرة على نطاق ضيق على يد إدوارد جودريتش أتشيسون في عام 1891، ثم على يد هنري مويسان باستخدام تقنيات مختلفة. أما اليوم فيتم إنتاجه عن طريق صهر رمل السيليكا مع مصادر الكربون، مثل الفحم، في بوتقات من الجرانيت في درجة حرارة عالية حتى تتشكل بلورات يمكن أن تترسب بعد ذلك على قضبان الجرافيت في درجات حرارة منخفضة لإنتاج كربيد السيليكون النقي الذي يبقى عديم اللون ولكن النسخ الصناعية البنية أو السوداء تحتوي على شوائب حديدية بينما يمكن أيضاً أن يتم تطعيمه بالنيتروجين أو الفوسفور لإنشاء أشباه موصلات من النوع n أو الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم للحصول على خصائص أشباه الموصلات من النوع p.

الخواص الكيميائية

تم إنتاج كربيد السيليكون (SiC) صناعياً منذ أواخر القرن التاسع عشر، واستُخدم على نطاق واسع كمادة كاشطة في ورق الصنفرة وعجلات الطحن. ولكن في الآونة الأخيرة، تجدد استخدام كربيد السيليكون كمادة تكنولوجية أساسية نظراً لخصائصه الحرارية والكهربائية الاستثنائية.

وتتكون مادة SiC من ذرات السيليكون والكربون المترابطة في شبكة بلورية سداسية الشكل، وتوفر خصائص فيزيائية قوية: تمدد حراري منخفض، ومقاومة للصدمات الحرارية، وخصائص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع التي تمكن الإلكترونات من التحرك بسهولة أكبر بين ذراتها مقارنة بالسيليكون، مما يجعلها مادة متفوقة للتطبيقات الإلكترونية.

سيكل غير قابل للذوبان في الماء والكحول، بينما هو قابل للذوبان في القلويات المنصهرة والأملاح المنصهرة؛ ومقاومته للأكسدة في درجات الحرارة العالية تجعله غير قابل للاحتراق وخالٍ من الأبخرة السامة؛ ومع ذلك، فإن التعرض طويل الأمد قد يؤدي إلى تضخم رئوي تدريجي يسبب تليفاً رئوياً تدريجياً يؤدي إلى تليف رئوي تدريجي يؤدي إلى تضخم رئوي تدريجي؛ وقد أدرجته الوكالة الدولية لبحوث السرطان كمسرطن محتمل للإنسان.

الخواص الميكانيكية

كربيد السيليكون هو أحد أخف المواد المعروفة وأكثرها صلابة على الإطلاق. وهو يتحمل التآكل والتآكل والتآكل للاستخدام الأمثل في المصانع الكيميائية والمطاحن والموسعات والفوهات.

تتسم هذه المادة بصلابة استثنائية وصلابة استثنائية وتمدد حراري منخفض وتحتفظ بقوتها في درجات حرارة تصل إلى 1,400 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه المادة من بين المواد الخزفية المتقدمة بمقاومتها العالية للأحماض والقلويات.

تتنوع التطبيقات الحالية لكربيد السيليكون سيك في استخدامات إلكترونيات الطاقة على نطاق واسع، وتساعد على تسريع عملية إزالة الكربون من خلال تحسين كفاءة المحركات الكهربائية، وبالتالي زيادة مسافات القيادة مع تقليل حجم ووزن أنظمة إدارة البطاريات في الوقت نفسه. كما يوفر كربيد السيليكون سيك أيضاً جودة وموثوقية وكفاءة استثنائية تجعل من استخدامه بديلاً جذاباً للمعادن مثل النيكل.

الخصائص الكهربائية

لقد وجد كربيد السيليكون تطبيقًا واسع النطاق في تطبيقات إلكترونيات الطاقة وكبديل لأجهزة السيليكون التقليدية بسبب أوقات التحويل السريعة وقدراته العالية في حجب الجهد، إلى جانب فجوة النطاق الواسعة التي تمكن الدوائر الإلكترونية من العمل بسرعة أكبر في درجات حرارة أعلى مع الحفاظ على موثوقيتها أكثر من نظيراتها من السيليكون.

يمكن تغيير الخواص الكهربائية لكربيد السيليكون الصقلي عن طريق تطعيمه بالشوائب. وعادةً ما تملأ الشوائب عادةً مواقع شبكية شاغرة داخل بنيتها البلورية البكر؛ وتختلف طاقات تنشيطها وفقًا لنوع البولي.

نتيجة لترتيبها الذري الفريد بين ذرات السيليكون والكربون في بنيتها البلورية، يُظهر كل نوع من SiC خصائص أشباه الموصلات المتميزة. كما هو موضح في الجدول التالي الذي يحتوي على بعض الخصائص الكهربائية الرئيسية لكل من 3C و4H و6H SiC في درجة حرارة الغرفة؛ وتعتمد هذه الخصائص بشدة على اتجاه تدفق التيار البلوري وكذلك المجالات الكهربائية المطبقة (أي غير متباينة الخواص).