Siliziumkarbid treibt eine Revolution in der Leistungselektronik voran

SiC hat eine große Bandlücke, die es ermöglicht, Stromversorgungssysteme bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen zu betreiben, ohne dass zusätzliche BOM-Kosten anfallen, was zu niedrigeren Gesamtkosten und effizienteren und kleineren Geräten führt.

Siliziumkarbid war bis zur Entwicklung von Borkarbid im Jahr 1929 das härteste bekannte synthetische Material mit einer Mohshärte von 9 und konnte sogar mit Diamant mithalten.

Physikalische Eigenschaften

Die bemerkenswerten physikalischen und elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid lösen eine nie dagewesene Revolution in der Leistungselektronik aus. Als Halbleiter mit breiter Bandlücke bietet es Möglichkeiten für kleinere, schnellere und zuverlässigere Elektronik, die höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen standhält als ihre Silizium-Gegenstücke.

Solarsysteme sind in hohem Maße auf Reflektivität angewiesen, um ihre hohe Langlebigkeit zu erreichen, die sie benötigen, um über Jahre hinweg kontinuierlich zu arbeiten. Reflexionsvermögen wird auch als Strukturmaterial in kugelsicheren Westen und Verbundwerkstoffpanzern sowie in Kraftfahrzeugteilen (Bremsscheiben), Blitzableitern, Schleifmitteln und Spiegeln von Observatorien verwendet.

Siliciumcarbid wurde erstmals 1893 bei der Meteoriten-Explosion im Canyon Diablo in Arizona als Moissanit-Mineral entdeckt und 1891 in kleinem Maßstab von Edward Goodrich Acheson und später von Henri Moissan mit verschiedenen Techniken synthetisiert. Heute wird es durch Schmelzen von Quarzsand mit Kohlenstoffquellen wie Kohle in Granittiegeln bei hoher Temperatur hergestellt, bis sich Kristalle bilden, die sich dann bei niedrigeren Temperaturen auf Graphitstäben ablagern können, um reines Siliciumcarbid zu erzeugen, das farblos bleibt, aber braune oder schwarze Industrieversionen enthalten Eisenverunreinigungen, während es auch mit Stickstoff oder Phosphor dotiert werden kann, um einen n-Typ-Halbleiter oder Aluminium, Bor oder Gallium für p-Typ-Halbleitereigenschaften zu erzeugen.

Chemische Eigenschaften

Siliziumkarbid (SiC) wird seit dem späten 19. Jahrhundert synthetisch hergestellt und als Schleifmittel in Sandpapier und Schleifscheiben verwendet. In jüngster Zeit wird SiC jedoch aufgrund seiner außergewöhnlichen thermischen und elektrischen Eigenschaften erneut als wichtiges technisches Material eingesetzt.

SiC besteht aus Silizium- und Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Kristallgitter gebunden sind, und bietet starke physikalische Eigenschaften: geringe Wärmeausdehnung, Beständigkeit gegen Temperaturschocks und Halbleitereigenschaften mit breiter Bandlücke, die es den Elektronen ermöglichen, sich leichter zwischen den Atomen zu bewegen als bei Silizium, was es zu einem hervorragenden Material für elektronische Anwendungen macht.

SiC ist unlöslich in Wasser und Alkohol, aber löslich in geschmolzenen Alkalien und geschmolzenen Salzen; seine Beständigkeit gegen Oxidation bei hohen Temperaturen macht es nicht brennbar und toxisch rauchfrei; eine langfristige Exposition kann jedoch zu einer fortschreitenden Lungenvergrößerung führen, die eine fortschreitende Lungenfibrose verursacht; es wurde von der IARC als mögliches Karzinogen für den Menschen aufgeführt.

Mechanische Eigenschaften

Siliziumkarbid ist einer der leichtesten und härtesten Werkstoffe, die es gibt. Es widersteht Abrieb, Erosion und Korrosion und eignet sich daher optimal für den Einsatz in Chemieanlagen, Mühlen, Expandern und Düsen.

Dieses Material ist außergewöhnlich hart, steif, hat eine geringe Wärmeausdehnung und behält seine Festigkeit bei Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius. Darüber hinaus zeichnet es sich unter den keramischen Hochleistungswerkstoffen durch seine hohe Beständigkeit gegen Säuren und Laugen aus.

Sic-Siliziumkarbid wird derzeit in einer Vielzahl von Anwendungen in der Leistungselektronik eingesetzt und trägt zur Beschleunigung der Dekarbonisierung bei, indem es die Effizienz von Elektromotoren verbessert und damit die Reichweite erhöht, während gleichzeitig Größe und Gewicht der Batteriemanagementsysteme verringert werden. Sic-Siliziumkarbid bietet außerdem eine außergewöhnliche Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz, die seine Verwendung zu einer attraktiven Alternative zu Metallen wie Nickel macht.

Elektrische Eigenschaften

Siliziumkarbid ist in der Leistungselektronik und als Ersatz für herkömmliche Siliziumbauteile weit verbreitet, da es schnelle Schaltzeiten und höhere Sperrspannungen ermöglicht und aufgrund seiner großen Bandlücke elektronische Schaltungen bei höheren Temperaturen schneller und zuverlässiger als ihre Silizium-Gegenstücke arbeiten können.

Die elektrischen Eigenschaften von Siliciumcarbid können durch Dotierung mit Verunreinigungen verändert werden. Dotierstoffe füllen in der Regel freie Gitterplätze in der reinen Kristallstruktur; ihre Aktivierungsenergien variieren je nach Polytyp.

Aufgrund der einzigartigen atomaren Anordnung von Silizium- und Kohlenstoffatomen in der Kristallstruktur weist jede Polytype von SiC unterschiedliche Halbleitereigenschaften auf. Wie die folgende Tabelle mit einigen der wichtigsten elektrischen Eigenschaften von 3C-, 4H- und 6H-SiC bei Raumtemperatur zeigt, hängen diese stark von der kristallografischen Stromflussrichtung sowie von den angelegten elektrischen Feldern ab (d. h. sie sind nicht isotrop).