ما هي الخواص الكهربائية لكربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شديدة الصلابة مصنفة بدرجة 9 على مقياس موس - يمكن مقارنتها بالماس. تتميز بمعامل تمدد حراري منخفض وخصائص مقاومة كيميائية وحرارية متميزة بالإضافة إلى خصائص قوة فائقة وخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية. كما تتميز SiC بمقاومة استثنائية للتآكل.

يُعزى الجرافين إلى بنيته البلورية، حيث ينتج الجرافين أشكالاً متعددة الأشكال بتسلسلات تكديس مختلفة - أو أنواع متعددة - والتي تؤدي إلى مجموعة من الخصائص الكهربائية المثيرة للاهتمام.

معامل السيبك

معامل سيبيك لمادة ما هو مقياس لجهدها الكهروحراري استجابةً للاختلافات في درجة الحرارة عبر المادة، وينتج عن حاملات الشحنة مثل الإلكترونات أو ثقوب الإلكترونات الموجودة داخل مصفوفة المادة. وتعتمد إشارته على الشكل السائد - إما موجبًا أو سالبًا اعتمادًا على الشكل الحامل السائد في هذه الحالة. وكلما زادت قيمته، زاد أيضًا إنتاج التيار الكهربي الحراري.

يمكن قياس معامل سيبيك عن طريق توصيل مادتين غير متشابهتين بمقياس الفولتميتر وقياس جهد الخرج. وسيعتمد هذا الجهد على معاملات سيبيك النسبية الخاصة بهما بالإضافة إلى قيمة ثابتة تعرف باسم البلاتين (Pt). تُعرف نسبة الجهد المقاس مع معاملات سيبيك المرتبطة بها باسم القدرة الكهروحرارية.

إذا كنت ترغب في زيادة معامل سيبيك لمركب ما، فيجب تعديل بيئته المعدنية بطريقة تزيد من تركيز الناقل إلى أقصى حد. وتتمثل إحدى الوسائل الفعالة في تطعيمه بذرات أرضية نادرة أو ذرات فلزات انتقالية مثل Nb وTi وZn؛ بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي التطعيم بالحزمة الأيونية إلى زيادة ذلك أيضًا.

يمكن حساب معامل سيبيك للمواد بسهولة باستخدام معادلة مباشرة، تُعطَى على الصورة S/(D+r). يمكن بعد ذلك حساب F أو تكامل فيرمي باستخدام برنامج MATLAB ويمثل دقته لمعظم المواد الصلبة في درجات حرارة قابلة للاستخدام؛ ومع ذلك، ستختلف القيم بين المواد.

وبناءً على نوع أشباه الموصلات، يختلف معامل سيبيك الأمثل لها. على سبيل المثال، تميل أشباه الموصلات من النوع p إلى أن تكون معاملات سيبيك أعلى بكثير من أشباه الموصلات من النوع n بسبب وجود عدد أكبر من الإلكترونات الحرة والنشطة داخل نطاق التوصيل مقارنةً بنظيراتها من النوع p.

لا تغير الشوائب معامل سيبيك للمواد فحسب، بل يمكنها أيضًا تغيير خواصها الكهربائية وتغيير نطاقات الطاقة الخاصة بها عن طريق إنشاء رنين؛ وقد يؤدي ذلك إلى بنية نطاق غير متماثلة أو تغيير فجوة الطاقة.

المقاومة

يعمل كربيد السيليكون في أنقى صوره كعازل كهربائي ولا يسمح بتدفق الإلكترونات. ولا يصبح شبه موصل إلا عند إضافة الشوائب إلى بنيته البلورية من خلال التطعيم - وهذا يسمح لحاملات الشحنة بالتحرك بحرية، وبالتالي يقلل المقاومة النوعية بشكل كبير ويقلل المقاومة النوعية بشكل كبير مع زيادة مستوى التطعيم. ومع زيادة مستويات التطعيم، تميل المقاومة إلى الانخفاض.

يسمح التطعيم بإتاحة المزيد من الإلكترونات والثقوب داخل المادة، وبالتالي تحسين تدفق التيار، مما يؤدي إلى زيادة التوصيلية الكهربائية منها. تُعرّف الفيزياء المقاومة الكهربائية النوعية للمواد بأنها مقاومتها الكهربائية مضروبة في الطول مقسومًا على مساحة المقطع العرضي - ووحدة قياس المقاومة الكهربائية هي الأوم.

قانون أوم هو قانون لوغاريتمي؛ وبالتالي، فإن معادلة حساب المقاومة الكهربية لأي عينة هي R = (R + لوغاريتم (r)/ لوغاريتم (l)، حيث تشمل وحدات القياس الأوم ثانية والمتر. تلعب المقاومة النوعية دورًا أساسيًا في أنظمة توزيع الطاقة وكذلك طرق التأريض، مما يساعد على تحديد كفاءتها وفعاليتها.

نظرًا لأن المقاومة الكهربائية النوعية لكربيد السيليكون تعتمد على بنيته، فمن الضروري أن نفهم العوامل المحددة لها. وتجدر الإشارة أيضًا إلى انخفاض مقاومته مقارنةً بالمواد المعدنية أو الخزفية النموذجية؛ كما يجب أن نضع في اعتبارنا أن مستويات المقاومة قد تتغير مع درجة الحرارة وبين أنواع عينات كربيد السيليكون.

تجعل المقاومة الكهربائية المنخفضة لكربيد السيليكون المسامية من كربيد السيليكون المسامي خيارًا ممتازًا للمواد المستخدمة في تطبيقات التفريغ الكهربائي (EDM)، بما في ذلك كثافته المنخفضة ومقاومته الكهربائية المنخفضة المنتظمة، مما يضمن كفاءة معالجة EDM دون إتلاف المواد أو إهدار الطاقة. اتصل الآن بكاليكس سيراميك سوليوشنز إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول مقاومتنا الكهربائية المنخفضة المسامية الملبدة SiC، حيث يسعد فريقنا بالإجابة على أي استفسارات قد تكون لديك! تفخر شركة كاليكس سيراميك سوليوشنز بتقديم منتجات متكلسة عالية الجودة بما في ذلك مواد EDM كجزء من مجموعة منتجاتنا الملبدة عالية الجودة!

فجوة النطاق

كربيد السيليكون هو مادة شبه موصلة ذات فجوة طاقة تبلغ حوالي 3.26eV تفصل بين مستويات الإلكترونات الحرة ومستويات الفجوات لمنع أي منها من التجمع معًا لتكوين أيونات من شأنها أن تتداخل مع التدفق الكهربائي. ونظرًا لهذه الفجوة الطاقية الواسعة، يمكن للإلكترونيات المصنوعة من كربيد السيليكون أن تعمل عند فولتية ودرجات حرارة وترددات أعلى من أجهزة السيليكون.

تمكّن خصائص كربيد السيليكون شبه الموصلة من استخدامه في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والبيئات الكاشطة، مما يجعله مناسبًا لمكابح السيارات والقوابض وألواح السيراميك في السترات الواقية من الرصاص والسترات الواقية من الرصاص، بالإضافة إلى أن مقاومته للأكسدة تجعله مكونًا مهمًا للمواد المقاومة للحرارة العالية.

لا يقوم كربيد السيليكون بتوصيل الكهرباء مثل المعادن، ولكن لا يزال من الممكن تعديل خواصه الكهربائية من خلال التطعيم. ويتضمن التطعيم إضافة شوائب إلى بنيته البلورية لزيادة حاملات الشحنة الحرة (الإلكترونات أو الثقوب) داخله، وبالتالي زيادة توصيلها للكهرباء وتوصيلها. ويمارس التطعيم على نطاق واسع في صناعات أشباه الموصلات للتحكم في الخواص الكهربائية للمواد.

جعلت خصائص كربيد السيليكون الكهربائية والتوصيل الحراري القوي من كربيد السيليكون مكونًا أساسيًا في إلكترونيات الطاقة. وكانت ترانزستورات IGBTs والترانزستورات ثنائية القطب من بين أشباه موصلات الطاقة الأولى التي تستخدم كربيد السيليكون نظراً لانخفاض مقاومته للتشغيل مقارنة بنظيراتها من السيليكون مع قدرته على التعامل مع جهد انهيار أعلى.

ومع تطور التكنولوجيا، يجد كربيد السيليكون تطبيقات جديدة. فعلى سبيل المثال، أدى انخفاض تمدده الحراري وصلابته إلى جعله مثاليًا كمادة مثالية لمرايا التلسكوبات الفلكية؛ وعلاوة على ذلك، تم إنتاج أنظمة فرعية خفيفة الوزن ومرنة في الوقت نفسه للمركبات الفضائية مصنوعة من هذه المادة وتحملت بنجاح ظروف الفضاء الخارجي.

تُحدث الخصائص الفيزيائية والإلكترونية لكربيد السيليكون ثورة في إلكترونيات الطاقة للتطبيقات عالية الطاقة. يمكن للأجهزة القائمة على كربيد السيليكون أن تتحمل كلاً من درجات الحرارة العالية والجهد العالي، وهو أمر ضروري في تطبيقات المحركات الكهربائية. وعلاوة على ذلك، يساعد انخفاض خسائر التبديل وتقليل الحرارة المتولدة على زيادة الكفاءة، مما يزيد من الكفاءة الكلية. وعلاوة على ذلك، فإن أجهزة SiC أقل عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، مما يجعلها مناسبة للمحولات عالية التردد.

التوصيل الحراري

الموصلية الحرارية هي خاصية للمواد، تقيس مقدار الحرارة المنقولة عبر سطح ما في وحدة زمنية واحدة. وتتميز مادة كربيد السيليكون بتوصيل حراري استثنائي، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تبديدًا فعالاً للحرارة. وبالفعل، تفوق الموصلية الحرارية الخاصة به حتى تلك الخاصة بالنحاس، وهي أفضل بثلاث مرات تقريبًا من السيليكون النقي.

لطالما اعتُبر كربيد السيليكون، وهو مركب بلوري يتكون من السيليكون والكربون، مادة صناعية لا غنى عنها في مجالات متعددة. وبفضل متانته الميكانيكية وخصائصه الكهربائية وخصائص ثباته الحراري، يُستخدم كربيد السيليكون كبديل مثالي للعديد من المواد في مختلف التطبيقات، خاصةً في مجال الإلكترونيات حيث تسمح له فجوة النطاق الواسعة بالتعامل مع الفولتية والترددات الأعلى بكثير من أجهزة أشباه الموصلات التقليدية القائمة على السيليكون.

تصدر الأمريكي إدوارد سي أتشيسون عناوين الأخبار في عام 1891 عندما استخدم الحرارة الكهربائية من محطة توليد الكهرباء لصب الطين بالكربون، مما أنتج بلورات سداسية الشكل صلبة بما يكفي لخدش الزجاج أطلق عليها اسم كربوروندوم ولكنها في الواقع بلورات كربيدود السيليكون. وقد أحدث اختراع أتشيسون ثورة في إنتاج الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، وأجهزة الكشف في أجهزة الراديو المبكرة، ومكابح وقوابض السيارات، وألواح السترات الواقية من الرصاص المصنوعة من السيراميك، والمواد المقاومة للتآكل.

إن المتانة الفيزيائية والنفاذية المنخفضة للبولي كربونات تجعله بديلاً ممتازًا للفولاذ في التطبيقات التي تتطلب مقاومة للتآكل، مثل ألواح التآكل. وعلاوة على ذلك، فإن مقاومته للأكسدة وثباته في درجات الحرارة تجعله مناسبًا لبيئات السيارات والفضاء القاسية بينما يجعله خموله الكيميائي مقاومًا للتآكل من المواد الكيميائية القاسية.

إن الموصلية الحرارية الممتازة لكربيد السيليكون تجعله خيارًا ممتازًا للمواد للتطبيقات التي تتطلب نقلًا فعالاً للحرارة، مثل الأفران الكهربائية ومعدات التسخين بالحث. وعلاوة على ذلك، فإن معامل التمدد الحراري المنخفض يساعد على السلامة الهيكلية حتى في درجات الحرارة المرتفعة.

على الرغم من أن كربيد السيليكون النقي يتصرف كعازل، إلا أن إضافة شوائب محكومة مثل الألومنيوم يمكن أن تمنحه خصائص شبه موصلة. وبإضافة الألومنيوم على سبيل المثال، يحصل المرء على كربيد السيليكون من النوع p، بينما ينتج عن إضافة الأكسجين كربيد السيليكون من النوع n - ويمكن إدخال أنواع الشوائب هذه من خلال طرق مختلفة، بما في ذلك زرع الأيونات والتطعيم الكيميائي. وغالباً ما يتم اختيار SiC كمادة أساسية في الأجهزة شبه الموصلة عالية الأداء مثل أشباه الموصلات IGBTs والترانزستورات ثنائية القطب نظراً لجهدها وترددات انهيارها الأعلى بكثير من أشباه الموصلات الأخرى القائمة على السيليكون.