Sloučenina karbidu křemíku pro výkonovou elektroniku

Karbid křemíku (SiC) se vyznačuje výjimečnými vlastnostmi, díky nimž je velmi žádaný v mnoha oblastech použití, od výkonové elektroniky v elektromobilech až po polovodičovou elektroniku obecně. Vlastnosti polovodiče SiC s širokou zakázanou zónou umožňují nižší odpor při vyšších teplotách, což přispívá k vývoji menších a rychlejších systémů pro přeměnu energie s vyšší energetickou účinností.

SiC se v přírodě vyskytuje v nepatrných množstvích v meteoritech, korundu a ložiscích kimberlitu; většina komerční výroby karbidu křemíku se však provádí synteticky.

Fyzikální vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je mimořádně pevná a tvrdá keramická sloučenina s tvrdostí podle Mohsovy stupnice blížící se tvrdosti diamantu, která se vyznačuje vynikající tepelnou a elektrickou vodivostí, extrémně vysokou teplotou tání, odolností proti korozi a tepelnému roztažení – díky těmto vlastnostem je vhodná pro vysoce výkonné technické aplikace, jako jsou ložiska čerpadel, ventily, trysky pro pískování nebo extruzní matrice. Jako elektrický vodič a polovodičový materiál se také vyznačuje vynikajícími odporovými vlastnostmi; odpor SiC je 10krát vyšší než u křemíku (Si) a vyšší je i jeho napěťová odolnost.

SiC je materiál s hustě uspořádanou mřížkou, který se skládá z atomů uhlíku a křemíku kovalentně vázaných do tetraedrických struktur kovalentními vazbami; tyto struktury jsou ve svých vrcholech propojeny kovalentními vazbami a tvoří tak polytypy, které se navzájem spojují ve vrcholech a vytvářejí mnohostěny, jež se skládají do polárních struktur zvaných polytypy, přičemž jejich krystalové struktury určují jejich fyzikální vlastnosti; SiC je nerozpustný ve vodě, ale rozpustný v alkáliích, jako jsou NaOH nebo KOH, stejně jako v železe.

Pevná látka vykazuje vynikající elektrické vlastnosti a v závislosti na šířce své energetické mezery může být použita buď jako vodič, nebo jako izolátor; díky této široké mezeře se elektrony snadno pohybují mezi valenčním a vodivým pásmem; naproti tomu izolátory mají obvykle velmi široké energetické mezery, což vyžaduje značné množství energie, aby elektrony tuto mezeru překonaly a dostaly se do vodivého pásma.

SiC se vyznačuje širokou energetickou mezerou, díky níž odolává velmi vysokým teplotám, aniž by se roztavil, a je tak ideální pro průmyslové pece či raketové motory. Navíc díky své odolnosti vůči záření dokáže SiC po dlouhou dobu absorbovat a uchovávat tepelnou energii.

Díky své odolnosti vůči extrémním teplotám a radiačnímu záření je SiC ideálním materiálem pro kosmickou technologii. Například při první evropské průzkumné misi k Merkuru, BepiColombo, se v rámci mise BepiColombo využívají blokovací SiC diody vyvinuté společností Alter Technology – specialistou na elektroniku určenou pro kosmické prostředí – tyto diody zvyšují účinnost měničů pro elektromobily a tím prodlužují dojezd. Kromě toho vynikající elektrické vlastnosti SiC také umožňují střídačům elektromobilů výrazně prodloužit dojezd.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je neoxidová keramika s mnoha žádoucími chemickými a fyzikálními vlastnostmi, mezi něž patří odolnost vůči teplu, oděru a korozi, jakož i vysoká hustota. Jako hustý materiál s vysokou teplotou tání je ideálním materiálem pro vysokoteplotní aplikace; navíc je jeho cena ve srovnání s jinými keramickými materiály příznivá; jeho tvarovatelnost umožňuje vytvářet různé tvary v různých kvalitách, včetně alfa (a-SiC) a beta variant polymorfů SiC, které se v poslední době prosadily na trhu; častěji používanou variantou je alfa-varianta; v poslední době však její protějšek, beta-varianta, výrazně posílil svůj podíl na trhu, avšak s rostoucím komerčním využitím si alfa-SiC i nadále udržuje svou dominanci!

SiC je velmi univerzální materiál, který se používá v široké škále aplikací, od brusiv a řezacích nástrojů přes konstrukční materiály (neprůstřelné vesty a brzdové kotouče automobilů) až po žáruvzdorné cihly, bleskojistky a zrcadlové materiály v astronomických dalekohledech. Kromě toho široká energetická mezera SiC umožňuje elektronům volnější pohyb z valenčních pásem do vodivých pásem, což vede k vyšším spínacím elektrickým polím s rychlejšími rychlostmi přeměny energie a zvýšenou energetickou účinností.

Vzhledem k různým uspořádáním atomů uhlíku a křemíku v jeho krystalové struktuře vykazuje každý polytyp SiC vlastní soubor jedinečných elektrických vlastností. Ačkoli se veškerý SiC při pokojové teplotě chová jako izolant, při správném dopování se z něj může stát polovodič typu p nebo typu n.

Díky své odolnosti vůči vysokým teplotám a napětí je karbid křemíku nepostradatelným materiálem při výrobě polovodičových elektronických zařízení, ale nachází uplatnění i v dalších oblastech, jako jsou například termopáry pro pece a reaktory s fluidním ložem.

Karbid křemíku se v přírodě vyskytuje jako drahokam moissanit; od roku 1893 se však hromadně vyrábí jak v práškové, tak v krystalické formě pro použití jako brusivo. Pomocí řezacích strojů se z něj brousí drahé kameny různých barev; tímto způsobem lze také vyrábět monokrystaly pěstované metodou Lelyho, které slouží jako náhražky diamantů nebo polovodiče; karbid křemíku lze rovněž tavit za účelem výroby vysoce odolné keramiky používané v aplikacích vyžadujících vysokou odolnost, jako jsou automobilové brzdy, spojky a neprůstřelné vesty.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je pokročilý polovodičový materiál složený z uhlíku (C) a křemíku (Si), který tvoří pevnou polovodičovou sloučeninu s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a tepelnou, chemickou i mechanickou stabilitou. Polymorfní struktury SiC vykazují odlišné fyzikální vlastnosti; 4H-SiC je jedním z takových polymorfů, který se vyznačuje nízkými vnitřními ztrátami a zároveň nabízí dynamické vlastnosti vhodné pro prostředí s vysokými teplotami.

SiC se vyznačuje tetraedrickou strukturou složenou z atomů křemíku a uhlíku, které jsou v krystalové mřížce spojeny silnými kovalentními vazbami, což mu dodává tvrdost, pevnost a odolnost. Jako jedna z nejtvrdších známých látek (tvrdší dokonce než moissanit a diamant) patří SiC mezi nejtvrdší látky vůbec. SiC lze pomocí různých procesů snadno zpracovat do podoby nejrůznějších výrobků a je široce využíván v moderním kamenářství. Kromě toho slouží SiC jako brusivo v mnoha odvětvích strojírenství, včetně broušení, řezání vodním paprskem a pískování.

Žáruvzdorné keramické materiály, jako je pyrit, vykazují vynikající odolnost proti korozi a vysokoteplotní stabilitu, díky čemuž jsou vhodné pro použití v žáruvzdorných cihlách a dalších aplikacích žáruvzdorné keramiky, jako jsou například žáruvzdorné cihly. Díky vysokým bodům tání přesahujícím 2000 °C nabízí žáruvzdorná keramika dobrou odolnost proti oxidaci a rozkladu při zvýšených teplotách, což z ní činí užitečný materiál.

Tento materiál je ideální pro použití v extrémních podmínkách, jako jsou prostředí s roztaveným sklem a pece, a v aplikacích provozovaných při velmi vysokých teplotách, například ve výrobě elektřiny nebo v elektronice. Vyznačuje se také mimořádně vysokým Youngovým modulem, díky čemuž dokáže s velkou pevností odolávat tlakovým zatížením.

SiC se liší od mnoha keramických materiálů tím, že neabsorbuje vlhkost, což z něj činí vynikající materiál pro konstrukční účely (neprůstřelné vesty a automobilové brzdy) i pro astronomii (kde se z SiC vyrábějí zrcadla pro dalekohledy). Kromě toho lze pomocí Lelyho procesu vyrábět také monokrystalické ingoty pro pokročilé elektronické aplikace, které se následně rozřezávají na destičky a poté zpracovávají na polovodičová zařízení.

Elektrické vlastnosti

Díky své chemické čistotě, zachování pevnosti při vysokých teplotách a vlastnostem elektrické vodivosti je karbid křemíku oblíbenou volbou pro výrobu podložek pod destičky a lopatky v polovodičových pecích. Kromě toho má karbid křemíku mnoho dalších použití, například jako odporové topné prvky v elektrických pecích, stejně jako součásti teplotně závislých rezistorů (termistorů) a napěťově závislých rezistorů (varistorů). Díky své odolnosti je karbid křemíku vhodný také pro náročná prostředí, jako jsou slévárny, metalurgické výrobní linky, závody na výrobu forem, výstelky forem a žlabů a další.

Karbid křemíku je prášek černosivého až zeleného zbarvení nebo pevná šedá hmota, která je nerozpustná ve vodě, alkoholu a kyselinách. Díky specifické hustotě 3,21 g/cm³ je karbid křemíku hustší než běžná keramika, ale méně hustý než některé kovy; přesto si zachovává vysokou odolnost proti chemickým vlivům a korozi v mnoha prostředích.

Lithium má teplotu tání 3 200 °C a teplotu varu 1 650 °C. Jedná se o inertní, tvrdý a křehký materiál s vynikající tepelnou vodivostí, který odolává poškození nárazy a údery a lze jej obrábět konvenčními metodami, jako je broušení, honování, řezání pilou a řezání vodním paprskem; díky své tvrdosti, která se využívá při řezání drahých kamenů, je tak nedílnou součástí moderního kamenářství. Kromě toho hraje lithium zásadní roli při výrobě kelímků pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou například kelímky vyrobené ze slitiny karbidu wolframu.

Vodiče umožňují nepřetržitý tok elektřiny; polovodiče vykazují polovodivé vlastnosti pouze při stimulaci elektrickým proudem nebo elektromagnetickým polem. SiC je obecně izolant; je-li však dopován fosforem, dusíkem, borem nebo hliníkem, projeví se jeho polovodivé vlastnosti a vykazuje vodivost. Díky třikrát širší zakázané zóně než u běžných křemíkových polovodičů zvládá SiC bez problémů vyšší napětí a frekvence.

Zatímco přírodní moissanit je na Zemi vzácný, většina karbidu křemíku prodávaného na trhu je syntetického původu. Karbid křemíku se častěji vyskytuje ve vesmíru jako součást hvězdného prachu padajícího z hvězd bohatých na uhlík než zde na Zemi; navíc se často vyskytuje v ložiscích kimberlitové rudy, z nichž se těží diamanty.