لماذا يعتبر كربيد السيليكون خيارًا جيدًا للتوصيل الكهربائي والتطبيقات الأخرى

كربيد السيليكون هو مادة متقدمة من أشباه الموصلات قادرة على توصيل الكهرباء في درجات حرارة عالية مع بقائها مقاومة للأكسدة والتعامل مع الفولتية العالية، مما يجعلها الخيار الأمثل لتطبيقات مثل مكابح وقوابض السيارات وكذلك السترات الواقية من الرصاص.

يمكن أن تساعد المنشطات مثل الألومنيوم والبورون والغاليوم في التحكم في التوصيل الكهربائي للسيليكون المسامي من خلال إنشاء أشباه موصلات من النوع P داخلها.

إنها أشباه موصلات

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب بلوري صلب يتم إنتاجه صناعيًا مصنوع من السيليكون والكربون. وباعتباره مادة شديدة الصلابة ومقاومة للتآكل، فإن كربيد السيليكون يستخدم في العديد من البيئات الصناعية بما في ذلك ورق الصنفرة وعجلات الطحن وأدوات القطع والبطانات المقاومة للحرارة والأجزاء المقاومة للتآكل للمضخات ومحركات الصواريخ وركائز أشباه الموصلات للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

وتجمع SiC بين الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد الحراري المنخفض والمقاومة الكيميائية الرائعة مما يجعلها مادة جذابة للاستخدام في البيئات القاسية. وعلاوة على ذلك، تعمل SiC كموصل كهربائي ممتاز قادر على تحمل الفولتية العالية.

SiC هي واحدة من المواد القليلة ذات التركيب الذري الذي لا مثيل له، حيث تتبلور في تراكيب متقاربة حيث تتشارك كل ذرة سيليكون أربعة إلكترونات مع الذرات المجاورة لها لتكوين روابط تساهمية وتشكيل تراكيب متعددة الأنواع من كربيد السيليكون - يوجد أكثر من 200 ترتيب فريد على طول اتجاه التراص المتقارب بما في ذلك نوع واحد متعدد مكعب له بنية بلورية من الزنكبليند؛ وتشمل الأشكال غير المكعبة من SiC كربيد السيليكون ألفا (a-SiC) وكربيد السيليكون بيتا (4H-SiC).

تسمح الخصائص الفيزيائية الرائعة لكربيد السيليكون بإيجاد تطبيق واسع النطاق في المكونات الإلكترونية. ونظراً لنطاق درجة حرارة التشغيل الواسع والتوصيل الحراري والكهربائي الفائق، فضلاً عن حركية الإلكترونات العالية التي تتيح التشغيل بتردد أعلى من معظم أشباه الموصلات، فإن كربيد السيليكون يشكل مادة مثالية لأجهزة الطاقة مثل صمامات شوتكي الثنائية وموسفيت والترانزستورات.

تتميز كربيد السيليكون عن معظم المعادن بكونها خاملة كيميائياً ومقاومة للتآكل في العديد من البيئات. كما أنه مقاوم للتآكل والسفع الرملي، ويتميز بالمتانة تحت درجات الحرارة العالية. وعلاوة على ذلك، فإن معظم الأحماض والقلويات - باستثناء حمض الهيدروفلوريك - لا تهاجم بنيته أيضًا.

لإنتاج رقائق SiC، تتضمن إحدى الطرق الشائعة تفاعل رمل السيليكا مع وقود الكربون مثل فحم الكوك البترولي في فرن خاص وصهره في عجينة قبل تلبيده لتشكيل هياكل أسطوانية أو كروية تحت الضغط، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام عوامل الربط مثل كربيد البورون أو زجاج السيليكات كمادة رابطة. بعد تلدينها وتقطيعها إلى رقائق.

إنه موصل

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شبه موصلة ذات تطبيقات عديدة. وتوجد هذه المادة على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة، مثل الثنائيات والترانزستورات والثايرستور؛ ونظراً لفجوة النطاق الواسعة التي تتيح لها توصيل الكهرباء بترددات عالية مع تمتعها بمتانة فيزيائية ممتازة وخصائص مقاومة للحرارة تجعلها مكوناً رئيسياً في المواد الصناعية مثل مكابح/مفاتيح السيارات وكذلك الألواح الخزفية المستخدمة في السترات الواقية من الرصاص.

يكون كربيد السيليكون، عندما يكون في حالته الأصلية، عازلًا كهربائيًا؛ ومع ذلك، عندما يقترن بالشوائب أو المواد المخدرة يمكن جعله يعمل كموصل. تعطي إضافة شوائب الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم خصائص أشباه الموصلات من النوع P؛ وتؤدي إضافة النيتروجين أو الفوسفور إلى خلق خصائص أشباه الموصلات من النوع N مما يسمح بتحويل المادة إلى هياكل أجهزة مختلفة.

يتم إنتاج السيليكون المكعب بطريقتين: إذابته في السيليكون المنصهر أو ترسيب البخار الكيميائي. ويستخدم المصنعون أيًا من هاتين العمليتين لإنتاج الرقائق التي سيتم تحويلها لاحقًا إلى رقائق للأجهزة الإلكترونية. وتستهلك كلتا العمليتين موارد كبيرة من الطاقة والمعدات؛ مما يجعل إنتاجها في نهاية المطاف باهظ التكلفة بالنسبة للعديد من الشركات المصنعة.

تتمثل إحدى طرق زيادة التوصيل الكهربائي لـ SiC في إضافة الكربون أو نيتريدات المعادن، مثل أسود الكربون. تقلل هذه الإضافات من الأكسدة أثناء التصنيع مع زيادة التوصيل الحراري. علاوة على ذلك، تساعد هذه النيتريدات على خفض الكثافة مما يزيد من القوة الميكانيكية.

كما يمكن أن يكون للمواد المضافة مثل المواد الحفازة تأثير مؤثر على التوصيل الكهربائي للمركبات المسامية القائمة على SiC، مما يغير من توصيلها الكهربائي بشكل كبير. وتغير هذه المواد المضافة شكل الطور الثانوي والتوصيلية بشكل مباشر؛ لذلك من الضروري فهم تأثيرها على التوصيلية الكهربائية.

لقد أجرينا توصيفًا مكثفًا للتوصيل الكهربائي للسيراميك المسامي القائم على SiC من خلال تقييم مورفولوجيتها ومساميتها، وقياس بنيتها البلورية باستخدام أجهزة التصوير المجهري الإلكتروني الداخلي ومقياس حيود الأشعة السينية، واختبار التوصيلية باستخدام الجرافين الموجود في مرحلتها الثانوية ومورفولوجيتها كمتغيرات رئيسية. وتُظهر النتائج أن مورفولوجيا السيراميك تنتج عن تفاعلات معقدة بين أنواع أكسدة السيليكون والكربون بينما تعتمد التوصيلية على كلا المتغيرين.

إنه موصل حراري

يبرز كربيد السيليكون كمادة لا غنى عنها في العديد من التطبيقات الصناعية، بدءًا من صلابته التي لا مثيل لها ومقاومته للتآكل إلى العمل كأشباه موصلات وموصل كهربائي. وبفضل هذه الخصائص، ساهم هذا المركب متعدد الأوجه بشكل كبير في تحسين الكفاءة والموثوقية في مختلف القطاعات.

كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن مادة صلبة غير قابلة للذوبان ذات لون أسود إلى بني، بمقياس موس 9، مصنوعة من الكربون الممزوج بالرمل الذي خضع لتسخين بدرجة حرارة عالية لتشكيل بنيته الذرية الفريدة وإظهار قوة وصلابة ومتانة ومتانة ممتازة ومقاومة للتآكل والصلابة والمتانة. ويمكن إنتاج كربيد السيليكون من خلال التسخين بدرجة حرارة عالية في درجات حرارة مرتفعة لتكوين هذا المركب المرن المستخدم كمادة حرارية في محامل المضخات والصمامات وحاقنات الحاقنات الكاشطة وقوالب البثق وغيرها من التطبيقات.

يتمتع SiC بموصلية كهربائية جوهرية أكبر من بلورة السيليكون النقي، وقد تم قياسها بأكثر من 100 أوم-سم-1 في درجة حرارة الغرفة. وتعتمد هذه التوصيلية على البنية البلورية والطور والبنية المجهرية ولكن يمكن زيادتها من خلال التطعيم بشوائب من النوع n أو p مثل الألومنيوم أو الغاليوم أو البورون أو النيتروجين أو الفوسفور؛ ويعزز تطعيم كربيد السيليكون بشكل خاص مع الغاليوم أو البورون أو الألومنيوم من التوصيلية الشبيهة بالمعدن بينما قد يساعد البريليوم أو النيوبيوم أو التنغستن في تحقيق توصيلية من النوع p SiC.

تتمتع كربيد السيليكون بخصائص حرارية مذهلة وفجوة نطاق واسعة جذابة تجعلها خيارًا جذابًا للمواد للتطبيقات الإلكترونية. ويتوقع بنك جولدمان ساكس أن استخدام كربيد السيليكون في محولات شحن السيارات الكهربائية من شأنه أن يزيد من مسافة القيادة وكثافة الطاقة مع تقليل حجم نظام إدارة البطارية وتكلفته.

ويوجد كربيد السيليكون في شكلين متعدد الأشكال: ألفا SiC له بنية بلورية سداسية الشكل تشبه Wurtzite؛ بينما يتميز بيتا SiC ببلورات الزنك blende مثل الماس. وحتى وقت قريب، كان لـ SiC بيتا تطبيقات تجارية محدودة حتى وقت قريب عندما جعلته بنيته البلورية المبلورة من الزنك blende مفيدًا كمادة داعمة للمحفزات غير المتجانسة؛ حيث جعلت مساحة سطحه المنتظمة الحفز أكثر فعالية على الركيزة. وعلاوة على ذلك، يوفر بيتا SiC ضغط بخار أقل ونقطة انصهار أعلى من الألومينا والألومنيوم.

إنها مادة مغناطيسية

كربيد السيليكون (SiC)، هو مادة خزفية صناعية تُستخدم على نطاق واسع في كل من بيئات درجات الحرارة العالية والجهد العالي. ونظرًا لصلابته، غالبًا ما يُستخدم كربيد السيليكون كمادة كاشطة أساسية في العديد من عمليات التصنيع الآلي والكشط والتفجير، بالإضافة إلى أن مقاومته للتآكل تجعله لا يقدر بثمن. يعمل SiC كعازل كهربائي عندما يكون نقيًا، بينما يمكن أن يؤدي التطعيم المتحكم فيه إلى تحقيق شبه موصلية.

يبرز كربيد السيليكون بسبب فجوة النطاقات الكبيرة - وهي فجوة الطاقة بين نطاقات التكافؤ ونطاقات التوصيل للذرات المكونة له في البلورة - والتي تحدد ما إذا كانت المادة تعتبر موصلة أو عازلة أو شبه موصلة. تتميز الموصّلات بفجوة نطاق متداخلة بحيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل بينما تتطلب العوازل كميات كبيرة من الطاقة للإلكترونات لعبور هذه الفجوة.

يمكن لكربيد السيليكون إنتاج عزوم مغناطيسية عن طريق إضافة شوائب غير معدنية؛ ومع ذلك، قد تكون هذه العزوم ضعيفة نسبيًا بسبب أن الجزء الأكبر غير المضطرب من NM-SiC له طاقات ارتباط صغيرة جدًا وانخفاض السالبية الكهربية للكربون مقارنة بالسيليكون. علاوة على ذلك، تعتمد العزوم المغناطيسية على مدى تقارب ذرات الكربون المتجاورة.

تكمن المساهمة الأساسية لفراغ السيليكون VSi في عزمه المغناطيسي في الإلكترونات p غير المزدوجة الموجودة على ثلاث ذرات كربون ذات روابط متدلية؛ وبالمقارنة، يحتوي فراغ السيليكون VSe على إلكترونين فقط من هذه الإلكترونات غير المزدوجة p، ويساهم فقط مساهمة أقل في العزم المغناطيسي.

يتوفر كربيد السيليكون في أنواع متعددة متعددة ذات هياكل طبقات مختلفة وتسلسلات تكديس مختلفة، بما في ذلك: النوع متعدد الطبقات A-بوليتيوب A الذي يحتوي على طبقات مكدسة في موضع A؛ ويتميز النوعان B و C-بوليتيوب بتراص طبقاتهما في مواضع محددة في مكدسهما؛ بينما النوع C-بوليتيوب C هو المفضل عادةً للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. يمكن العثور على الأنواع المتعددة A و B المستخدمة في الأجهزة الكهربائية؛ ومن ناحية أخرى قد تكون الأنواع المتعددة C مفضلة عند تعرضها لدرجات حرارة أعلى.

يتميز كربيد السيليكون ليس فقط بخصائصه الحرارية الفائقة ولكن أيضًا كموصل استثنائي للكهرباء. فمقاومته للجهد الكهربائي أكبر 10 مرات من مقاومة نيتريد الغاليوم، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الطاقة وأجهزة الاستشعار وكذلك التطبيقات التي تتطلب تقلبات في درجات الحرارة. وعلاوة على ذلك، فإن معامل التمدد الحراري المنخفض لكربيد السيليكون يجعله جذاباً بشكل خاص في هذا الصدد.