Karbid křemíku je hnací silou revoluce ve výkonové elektronice

SiC má rozsáhlou pásmovou mezeru, která umožňuje napájecím systémům pracovat při vyšších teplotách, napětích a frekvencích bez dodatečných výrobních nákladů, což vede k celkově nižším nákladům a účinnějším a menším zařízením.

Karbid křemíku byl až do roku 1929, kdy byl vyvinut karbid bóru, nejtvrdším známým syntetickým materiálem s tvrdostí 9 stupňů podle Mohsovy stupnice, a mohl se dokonce srovnávat s diamantem.

Fyzikální vlastnosti

Pozoruhodné fyzikální a elektrické vlastnosti karbidu křemíku vyvolávají nebývalou revoluci v oblasti výkonové elektroniky. Karbid je polovodič se širokým pásmem, který poskytuje možnosti pro menší, rychlejší a spolehlivější elektroniku, která zvládá vyšší teploty, napětí a frekvence než její křemíkové protějšky.

Solární systémy jsou z velké části závislé na odrazivosti, aby dosáhly vysoké životnosti, která je nutná pro jejich nepřetržitý provoz po mnoho let. Reflexní materiály se rovněž používají jako konstrukční materiály v neprůstřelných vestách a kompozitních pancířích, stejně jako v automobilových dílech (brzdové kotouče), bleskojistkách, brusných materiálech a zrcadlových materiálech pro observatoře.

Karbid křemíku byl poprvé objeven jako minerál moissanit v roce 1893 při výbuchu meteoritu v kaňonu Diablo v Arizoně, v malém měřítku jej poprvé syntetizoval Edward Goodrich Acheson v roce 1891 a později Henri Moissan různými technikami. Dnes se vyrábí tavením křemičitého písku se zdroji uhlíku, jako je uhlí, v žulových kelímcích při vysoké teplotě, dokud se nevytvoří krystaly, které se pak mohou při nižších teplotách ukládat na grafitové tyčinky a vytvářet čistý karbid křemíku, který zůstává bezbarvý, ale hnědé nebo černé průmyslové verze obsahují příměsi železa, přičemž může být také dopován dusíkem nebo fosforem pro vytvoření polovodiče typu n nebo hliníkem, bórem nebo heliem pro polovodičové vlastnosti typu p.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) se vyrábí synteticky od konce 19. století a je široce používán jako brusný materiál v brusných papírech a brusných kotoučích. V poslední době se však SiC díky svým mimořádným tepelným a elektrickým vlastnostem znovu používá jako základní technologický materiál.

SiC, který se skládá z atomů křemíku a uhlíku spojených v hexagonální krystalové mřížce, má dobré fyzikální vlastnosti: nízkou tepelnou roztažnost, odolnost vůči teplotním šokům a širokou pásmovou mezeru polovodičových vlastností, která umožňuje snadnější pohyb elektronů mezi jeho atomy než u křemíku, což z něj činí vynikající materiál pro elektronické aplikace.

SiC je nerozpustný ve vodě a alkoholu, zatímco je rozpustný v roztavených alkáliích a roztavených solích; díky své odolnosti vůči oxidaci při vysokých teplotách je nehořlavý a toxický bez kouře; dlouhodobá expozice však může vést k postupnému zvětšování plic, což způsobuje postupnou fibrózu plic, která vede k postupnému zvětšování plic; byl zařazen na seznam IARC jako možný lidský karcinogen.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku je jedním z nejlehčích a nejtvrdších materiálů, které kdy byly známy. Odolává abrazi, erozi a korozi, takže se optimálně používá v chemických provozech, mlýnech, expandérech a tryskách.

Tento materiál je výjimečně tvrdý, tuhý, má nízkou tepelnou roztažnost a zachovává si pevnost při teplotách až 1400 °C. Kromě toho vyniká mezi pokročilými keramickými materiály vysokou odolností vůči kyselinám a zásadám.

Současné využití karbidu křemíku pro výkonovou elektroniku je velmi široké a pomáhá urychlit dekarbonizaci tím, že zlepšuje účinnost elektromotorů, čímž prodlužuje dojezdovou vzdálenost a současně snižuje velikost a hmotnost systémů řízení baterií. Karbid křemíku sic také nabízí výjimečnou kvalitu, spolehlivost a účinnost, díky nimž je jeho použití atraktivní alternativou ke kovům, jako je nikl.

Elektrické vlastnosti

Karbid křemíku našel široké uplatnění v aplikacích výkonové elektroniky a jako náhrada tradičních křemíkových zařízení díky svým rychlým spínacím časům a schopnosti vyššího blokovacího napětí spolu s širokým pásmovým rozpětím, které umožňuje rychlejší provoz elektronických obvodů při vyšších teplotách a zároveň vyšší spolehlivost než u jejich křemíkových protějšků.

Elektrické vlastnosti karbidu křemíku lze měnit dopováním nečistotami. Dopanty obvykle vyplňují volná mřížková místa v jeho původní krystalové struktuře; jejich aktivační energie se liší v závislosti na polytypu.

V důsledku jedinečného uspořádání atomů křemíku a uhlíku v krystalové struktuře vykazuje každý polytyp SiC odlišné polovodičové vlastnosti. Jak ukazuje následující tabulka obsahující některé hlavní elektrické vlastnosti pro 3C, 4H a 6H SiC při pokojové teplotě; ty silně závisí na krystalografickém směru toku proudu i na přiložených elektrických polích (tj. jsou neizotropní).