Sådan måles ledningsevnen i siliciumkarbid elektrisk

Siliciumkarbid er et ekstremt hårdt materiale, der på Mohs-skalaen ligger et sted mellem aluminiumoxid og diamant. Det udviser enestående styrke, korrosionsbestandighed, holdbarhed, højt smeltepunkt og andre tekniske fordele, der gør det perfekt til krævende tekniske anvendelser.

Urenheder, der kaldes doteringsstoffer, kan også give halvlederegenskaber. Dotering med nitrogen og fosfor skaber en siliciumkarbidstruktur af n-typen, mens dotering med aluminium, bor eller gallium skaber en siliciumkarbidstruktur af p-typen.

Båndgab

Båndkløften betegner energiforskellen mellem et fast stofs ledningsbånd og valensbånd; jo mindre denne kløft er, desto bedre er materialets ledningsevne. Båndkløfter spiller en afgørende rolle for, hvordan elektricitet ledes: de bestemmer, hvor meget energi elektroner har brug for for at bryde fri og begynde at lede elektricitet; denne proces ligger også til grund for, hvordan halvledere fungerer: smalle båndkløfter gør det muligt for flere elektroner at overgå fra valensbåndet til ledningsbåndet, hvilket fører til hurtigere strømledning i halvledere.

Bredden af et materiales båndgab afhænger af dets størrelse og struktur, men det afgørende er, om det er baseret på metal eller halvleder. Metaller har som regel bredere båndgab, mens halvledere har smallere. Materialer med små atomer og stærke bindinger har som regel bredere båndgab, mens materialer med større atomer og svage bindinger har smallere båndgab, såsom siliciumkarbid, der har et ekstremt smalt båndgab.

I halvledere dannes båndkløften gennem en vekselvirkning mellem n-type- og p-type-elektroner; elektronerne i de to grupper befinder sig i deres egne specifikke bånd – hvor hver type har sit eget sæt energiniveauer, der er forbundet med dens toppe og dale.

Halvledere med smalt båndgab har større ledningsevne end andre, fordi termisk excitation skaber en lille population af elektroner i valens- og ledningsbåndene, som ved hjælp af elektriske felter kan omplaceres, så der dannes elektrisk strøm.

Ud over deres ledende egenskaber byder halvledere med større båndgab på yderligere fordele, der går ud over ledningsevnen: Drift ved højere temperaturer er ideel til militære og andre krævende anvendelser og øger desuden den kritiske elektriske feltdensitet, så der kan modstå højere effektniveauer – en egenskab, der er særlig relevant i enheder, der kræver høj driftshastighed.

Seebeck-koefficienten

Seebeck-koefficienten måler den spænding, der opstår som følge af den termoelektriske effekt mellem to punkter i et materiale. Den kan angives enten i volt pr. Kelvin (V/K) eller mikrovolt pr. Kelvin (mV/K). En højere Seebeck-koefficient indikerer større effektivitet i den termoelektriske generator, hvilket gør den til en væsentlig faktor, når der skal vælges mellem materialer til specifikke anvendelser.

Temperatur, krystalstruktur og urenheder spiller alle en afgørende rolle for et materiales Seebeck-koefficient, som kan være enten positiv eller negativ, afhængigt af om det er positivt eller negativt ladede ladningsbærere, der dominerer; normalt kan koefficienten være positiv, når elektroner dominerer, mens den endda kan blive negativ, når huller dominerer.

Seebeck-koefficienten måles normalt ved at placere den ene ende af en prøve ved en konstant temperatur, mens den anden ende opvarmes til forskellige temperaturer, hvorefter man beregner spændingsforskellene mellem enderne ud fra temperaturforskellene og ændringerne i den elektriske strøm mellem prøvens ender. Ved at analysere hældningen af den lineære sammenhæng mellem temperaturforskellene og spændingsforskellen får man værdien for Seebeck-koefficienten.

Andre metoder til måling af Seebeck-koefficienten omfatter differentiel og single-end-test, hvor man ved den sidstnævnte metode holder den ene ende af prøven ved en fast temperatur, mens man måler temperaturændringen i den anden ende, og derefter bruger denne potentialeforskel til at beregne Seebeck-koefficienten. Metoden giver hurtige og nøjagtige resultater uden at det er nødvendigt at stabilisere prøvens temperatur under målingen.

Forskere har udviklet en innovativ teknik til måling af den elektriske ledningsevne og Seebeck-koefficienten for nanotråde af siliciumkarbid ved hjælp af suspenderet mikromodstandstermometri og firepunkts-sondemålinger på hver enkelt nanotråd. Denne metode, der er mere præcis end traditionelle metoder, giver forskerne mulighed for at indhente oplysninger om hver nanotråds energibåndstruktur samt bestemme koncentrationen af frie ladningsbærere – uvurderlige oplysninger, der vil bidrage til at forbedre ydeevnen hos fremtidige siliciumkarbid-enheder.

Resistivitet

Resistivitet er en integreret del af målingen af materialers ledningsevne. Den angiver, hvor svært det er for elektriske ladninger at bevæge sig gennem et materiale uden at støde på forhindringer; typisk indikerer en lavere resistivitet bedre elektriske ledningsegenskaber; resistivitetsniveauerne kan dog variere meget afhængigt af krystalstørrelse og -struktur – for eksempel kan et større gitter af siliciumkarbid gøre elektricitetsledningen sværere, da der er flere defekter til stede end i mindre krystalstrukturer; sådanne defekter kan afhjælpes gennem dotering med urenheder eller dotering i højere koncentrationer.

Siliciumkarbids evne til at lede elektricitet afhænger både af dets resistivitet og af de urenheder, der findes i materialet. Ved lave temperaturer opfører siliciumkarbid sig mere som en isolator, idet det modstår strømmen; men så snart det opvarmes, begynder det at lede som metal, hvilket gør det perfekt til elektronik, der kræver høje spændinger og hurtige signaler.

Siliciumkarbid har både elektriske og fysiske egenskaber. Ud over at være kemisk inert gør dets høje hårdhed (9 på Mohs-skalaen) og lave termiske udvidelse det muligt at anvende det i ekstreme og højtydende tekniske anvendelser, herunder pumpelejer, ventiler, slibeværktøjer og dele til forbrændingskamre.

Siliciumkarbids største fordel ligger i dets brede båndgab, hvilket gør det muligt at anvende det ved højere frekvenser end konventionelle halvledere. Desuden har siliciumkarbid en varmeledningsevne, der er dobbelt så stor som siliciums – hvilket gør det til et oplagt valg til elektroniske komponenter.

Selvom siliciumkarbids sammensætning og krystalstruktur bidrager til dets lave elektriske modstand, spiller fremstillingsprocessen også en væsentlig rolle. Kemisk dampaflejring (CVD) giver en volumenmodstand på under 0,1 ohm-cm, hvilket gør materialet velegnet til anvendelse i halvlederindustrien samt i miljøer med høje temperaturer og store belastninger.

SiC består af kulstof- og siliciumatomer, der er bundet sammen af stærke kovalente bindinger, hvilket skaber et materiale, der er ekstremt modstandsdygtigt over for korrosion og mekaniske skader. Disse faktorer bidrager også til styrke og holdbarhed, men kan begrænse strømgennemstrømningen; med den stigende efterspørgsel efter højfrekvente elektroniske enheder, der er på vej, kan siliciumkarbids lave resistivitet kombineret med dets hurtige mætningsdrift og temperaturafhængighed blive stadig mere værdifuldt i konkurrencen med traditionelle halvledere.

Termisk ledningsevne

Siliciumkarbid er en ekstremt holdbar, ikke-oxidbaseret keramik med en lang række ønskværdige egenskaber. Det udviser både fremragende termisk og elektrisk ledningsevne, hvilket gør det velegnet til forskellige industrielle anvendelser, mens dets brede båndgab gør det velegnet som erstatning for silicium i anvendelser inden for effektelektronik.

SiC anvendes i elektroniske komponenter som dioder, transistorer og tyristorer, der kræver en højere spændingstolerance end siliciumbaseret elektronik; dets brede båndgab gør det muligt at opfylde dette krav og samtidig opretholde en effektiv drift.

Materialers varmeledningsevne er ligeledes af enorm betydning; den gør det muligt for varmen at bevæge sig hurtigere fra et punkt til et andet, hvilket gør enhederne mere energieffektive samlet set. Ved udformningen af elektriske og elektroniske kredsløb betyder hurtigere varmeoverførsel større effektivitet i enhederne.

Varmeledningsevnen for siliciumkarbid ændrer sig med temperaturen, hvilket gør målingerne upræcise, når man forsøger at forudsige, hvordan materialet vil opføre sig under andre omstændigheder. Derfor kan anvendelsen af en præcis formel ved beregning af varmeledningsevnen give mere nøjagtige forudsigelser, da denne tager højde for forskellige faktorer, der bestemmer, hvor meget varme der kan overføres gennem en materialeprøve.

Det er især værd at bemærke, at siliciumkarbids varmeledningsevne varierer med temperaturen; derfor kan værdien på et bestemt tidspunkt ikke bruges til præcist at forudsige, om materialet vil fortsætte med at fungere ved den pågældende temperatur over tid. Desuden måler varmeledningsevnen kun varmeoverførsel via ledning; stråling eller konvektion kan ikke inddrages i beregningerne.

Siliciumkarbid er i sig selv et elektrisk halvledende materiale (10⁵ til 10⁷ Ω·cm), men tilsætning af elektrisk ledende sekundære faser kan øge dets ledningsevne betydeligt. Der anvendes ofte dotering med bor og aluminium; dotering med nitrogen og fosfor skaber ligeledes p-type halvledere.