Силициев карбид (SiC) - твърд, устойчив на топлина и корозия полупроводник

Силициевият карбид (SiC) е иновативна неоксидна керамика със забележителни химични и физични свойства. При различни температури той проявява свойства, сходни както с металите, така и с изолаторите - тази особеност придава на SiC характерната му гъвкавост.

Алуминиевият оксид може да бъде дотиран с азот и фосфор от n-тип или с алуминий, бор и галий от p-тип за допълнителна модификация и охлаждане; освен това той може да стане свръхпроводим с допълнително дотиране и охлаждане.

Електрическа проводимост

Силициевият карбид (SiC) е изключително твърд, устойчив на топлина и корозия полупроводников материал, съставен от силициево-въглеродни тетраедрични структури, свързани помежду си със силни ковалентни връзки в кристалната му решетка. SiC е известен с изключителната си здравина и устойчивост на деформация - което го прави предпочитан материал в среди като керамичните плочи на бронежилетките.

Чистият SiC е електрически изолатор, а добавянето на примеси (известно като допиране) може да промени свойствата му и да го превърне в полупроводник. Допирането с алуминий, бор или галий води до полупроводникови свойства от p-тип.

Тетраедричната структура на SiC също така позволява съществуването на многобройни политипове с различни химични и електрически свойства, дължащи се на заместването на атомни места в слоя от силициев диоксид; най-общо казано, по-голямото заместване на атомни места увеличава промените в електрическите и химичните свойства на политиповете.

SiC е идеален материал за приложения с висока мощност благодарение на широката си лента на пропускане, която позволява на електрониката да работи при по-високи температури, напрежения и честоти от устройствата на силициева основа. Освен това способността на SiC да издържа на високи температури, окисляване и механични натоварвания му позволява да се използва както в автомобилната, така и в авиационната промишленост.

SiC предлага по-добра проводимост и стабилни условия на работа в сравнение с по-широко използвания полупроводников материал - силиция. В този смисъл той е отличен избор за компоненти на силовата електроника, необходими за бързото развитие на технологиите за електрически превозни средства. Освен това SiC може да намали загубите на ток/напрежение, като същевременно увеличи топлинната ефективност за повишена топлинна ефективност, което спомага за намаляване на размера на компонентите, като същевременно подпомага бързото развитие на автомобилите.

Обемните техники, които могат да се използват за характеризиране на SiC, включват масова спектрометрия с нажежен разряд и рентгенофлуоресцентна спектроскопия на твърди проби; спектрометрия с индуктивно свързана плазма и оптична емисия (ICP-OES) и ICP-масова спектрометрия на разградени или излужени проби; както и SEM-енергийно-дисперсионна спектроскопия, използвана за извършване на некалибрирани, полуколичествени и напълно количествени анализи. Elkem разполага както със съоръжения, така и с експертни познания, необходими за подготовката и доставката на SiC в съответствие със спецификациите на клиента; нашето модерно съоръжение, известно като Elkem Processing Services (EPS), ще смеси, класифицира и опакова SiC в съответствие с вашите строги изисквания.

Топлопроводимост

Силициевият карбид или SiC е неорганичен материал, съставен от ковалентно свързани въглеродни и силициеви атоми в подредена структура. Допиран с азот, фосфор или берилий, той се превръща в полупроводник от n-тип; допирането с бор, галий и алуминий води до характеристики от p-тип. Насипният SiC има една от най-твърдите познати повърхности с твърдост по Моос 9. Неговата здрава повърхност също така е добре устойчива на корозия и химични реакции.

Силициевият карбид има многобройни индустриални приложения - от силовата електроника до електрическите превозни средства (ЕПС). Напоследък популярността му сред тези индустрии се дължи на възможностите му за по-висока работна температура, които му позволяват да издържа на изискванията за високо напрежение, свързани с тези превозни средства.

Силициевият карбид се отличава с отлична топлопроводимост и електропроводимост, което позволява бързото преминаване на топлина през него и премахва необходимостта от активни системи за охлаждане, като по този начин спомага за намаляване на теглото, разходите и сложността на системите за управление на батериите за електрически превозни средства (ЕПС).

Силициевият карбид се отличава като електропроводим материал поради по-ниските си температури на топене и кипене и по-високата си топлопроводимост при повишени температури, което го прави по-топлопроводим от силиция.

Превъзходната топлопроводимост на силициевия карбид се дължи на многослойната му кристална структура, известна като политипи. Всеки политип се различава по последователността на подреждане на атомните си слоеве; например четири въглеродни атома, свързани с два силициеви атома, обикновено е най-популярната конфигурация в монокристалните пластини.

Монокристалният SiC има средна топлопроводимост от 490 W/mK при стайна температура. Топлопроводимостта в керамиката SiC варира в зависимост от размера на зърната, примесите в решетката, структурните дефекти и наличието на вторични фази с по-ниска проводимост на границите на зърната.

Силициевият карбид (SC) е един от най-често използваните електрически проводници в света след медта. С отличната си топло- и механична проводимост, рентабилност и ниски стойности на термично разширение, SC предлага привлекателна алтернатива на металите и пластмасите в редица производствени и автомобилни приложения.

Химическа проводимост

Силициевият карбид притежава полупроводникови характеристики, които позволяват преминаването на определени количества ток през него, когато към него се приложи напрежение. Това дава възможност за използването му в приложения с високо напрежение, където широкият диапазон на пропускане в противен случай би довел до неуспех на изолационните материали поради прекалено големите им енергийни бариери, които не позволяват на електроните да преминават между валентните и проводящите ленти.

Това неразтворимо съединение е на девето място по скалата на Моос, което го прави един от най-твърдите синтетични материали. В това си качество той представлява ефективен абразивен материал, който е устойчив на ударни повреди и износване при шлифоване на метали, както и на повечето органични киселини, основи и соли. За съжаление той е разтворим във вода и алкохол, което може да окаже неблагоприятно въздействие върху неговите свойства, като например електропроводимостта.

Известно е, че SiC трудно се оценява електрически; можете обаче да определите типа му чрез измерване на коефициента на Зеебек - това определя типа му на проводимост n-тип; който има вътрешна електрическа проводимост DE(3,1+0,2)x104 (ом-см).

Проводимостта на материалите може да бъде увеличена чрез добавяне на примеси или допинг агенти, като например азотни или фосфорни допинг агенти; допингът с алуминий, бор или галий може да създаде полупроводници от n-тип или p-тип и да бъде безценен за много приложения. Допирането може да доведе до създаването на полупроводник от n-тип или p-тип в зависимост от използвания примес - например добавянето на азот или фосфор може да направи вашия материал полупроводник от n-тип, докато допирането на алуминий бор галий или алуминий може да създаде полупроводници от n-тип или p-тип; които създават полупроводници от n-тип или p-тип, използвани от различни приложения. Допирането на материали с азот или фосфор може да превърне вашия материал в полупроводник от n-тип, докато допирането на алуминий, бор и галий може да допиращите агенти могат да променят този материал в създаването на полупроводници от p-тип, които имат много практически приложения.

Електропроводимостта на SiC може да варира в зависимост от концентрацията и разпределението на допанти. Оценката на този аспект е от първостепенно значение за производството на надеждни полупроводникови устройства.

Освен това топлопроводимостта на SiC варира в зависимост от неговата плътност поради наличието на междинни кухини, които пречат на преноса на топлина. Ето защо за максимална топлопроводимост е от решаващо значение той да има постоянна големина на зърната и високи стандарти за чистота, за да се увеличи максимално неговата топлопроводимост.

Силициевият карбид е адаптивен материал с многобройни приложения в различни индустрии. Неговата гъвкавост демонстрира изобретателността на съвременното материалознание, а отличителните му свойства играят роля в оформянето на най-съвременните промишлени технологии.

Механична проводимост

Силициевият карбид обикновено има механична проводимост между 105 и 107 Ohm*cm; въпреки това допирането на материала с електрически проводящи втори фази може да я увеличи до много по-високи нива, което прави SiC идеален кандидат за нагреватели и други компоненти, изискващи високи нива на проводимост. Освен това неговата твърдост го прави привлекателен материал за използване в операции по синтероване и механична обработка, докато химическата му чистота и устойчивост на високи температури - особено на границите на зърната - го направиха популярен избор за подложки за подложки за вафли и лопатки в пещи за полупроводници, докато други приложения включват износни плочи за уплътнения и лагери.

Силициевият карбид (SC) е неорганичен полупроводников материал, съставен от чисти силициеви и въглеродни атоми, легиран с азот или фосфор за образуване на полупроводник от n-тип или легиран с бор, алуминий и галий за използване като полупроводник от p-тип. SC се нарежда сред най-твърдите известни днес вещества - съперничи на материали като диамант и боров карбид като едни от най-твърдите известни вещества.

Полупроводниковите свойства правят керамиката отличен избор на материал за електрониката, като например диоди, транзистори и тиристори, поради широката си лента на пропускане, която ѝ позволява да издържа на високи напрежения. Освен това нейната дълготрайност, устойчивост на корозия и топлинна устойчивост правят този материал безценен при използването му в автомобилни спирачки, съединители и керамични плочи, които се намират в бронежилетките.

Последните проучвания показват, че радиационното увреждане на MC (M=Si, Ti или Zr) карбиди създава предимно ваканционни, интерстициални и антиситови дефекти8,13. Ab initio молекулно-динамичните симулации на нискоенергийните радиационни реакции показват, че тези дефектни състояния причиняват значително намаляване на стойностите на обемния и на модула на Юнг.

Особено чувствителен е SiC, в който преобладават антиситни дефекти като VC, VSi и CSi. Крайните състояния на повреда са склонни да показват значително по-ниски модули на срязване и опън в сравнение с идеалните аналози; ефектът е особено очевиден при SiC в сравнение с TiC и ZrC. Както се вижда от тези и други изследвания, трябва да се работи повече за разбирането на това как точковите дефекти влияят върху характеристиките на MC карбидите в радиационна среда, за да се насърчат подобренията чрез фундаментални изследвания, както и чрез усъвършенствани методи за характеризиране.