Die elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial, dessen Eigenschaften zwischen denen von Metallen und denen von Isolatoren liegen. Letzteres hängt von Faktoren wie der Temperatur und den in seiner Kristallstruktur vorhandenen Verunreinigungen ab; was Ersteres betrifft, so hängen auch die elektrischen Eigenschaften von diesen Variablen ab.

Edward Goodrich Acheson stellte SiC erstmals im Jahr 1891 her, als er versuchte, künstliche Diamanten herzustellen, indem er mit Hilfe eines Kohlenstoffstabs elektrischen Strom durch Ton leitete. Das dabei entstandene Material nannte er „Carborundum“.

Spannung Widerstand

Siliziumkarbid (SiC) ist ein äußerst widerstandsfähiger Halbleiterwerkstoff mit hervorragenden elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften. Da SiC selbst bei höheren Temperaturen als Silizium höhere Spannungen und Ströme bewältigen kann, eignet es sich ideal für Anwendungen wie beispielsweise die Leistungselektronik. Darüber hinaus ermöglicht seine größere Bandlücke im Vergleich zu anderen Halbleiterwerkstoffen die Leitung bei höheren Frequenzen bei geringerem Widerstand.

Die elektrischen Eigenschaften von SiC hängen von seinen Bestandteilen und dem Herstellungsprozess ab, wobei verschiedene Zusätze den elektrischen spezifischen Widerstand erheblich beeinflussen, je nachdem, wie sie in die Zusammensetzung eingebracht wurden. Oxide und Nitride werden beispielsweise als Zweiphasen-Zusätze klassifiziert, während Verunreinigungen wie Phosphor oder Stickstoff als Donor- oder Akzeptorverunreinigungen wirken können, die den elektrischen spezifischen Widerstand erhöhen.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von anderen Halbleitern dadurch, dass es in seinem unveränderten Zustand als elektrischer Isolator wirkt. Durch Dotierung kann es jedoch in einen elektrisch leitenden Zustand überführt werden, indem bestimmte Verunreinigungen, sogenannte Dotiermittel, hinzugefügt werden – beispielsweise Aluminium, Bor und Gallium für p-Typ-Halbleiteranwendungen oder Stickstoff und Phosphor für n-Typ-Anwendungen.

Silizium ist derzeit der vorherrschende Halbleiter, doch seine Eignung für Hochleistungselektronik wird zunehmend in Frage gestellt. Siliziumkarbid bietet eine energieeffizientere Methode der Stromleitung, da es höhere Temperaturen und Spannungen effektiver bewältigen kann als Silizium. Darüber hinaus ermöglicht seine größere Bandlücke höhere Geschwindigkeiten, was zur Verkleinerung der Bauelemente beiträgt.

Silizium verfügt über eine große Bandlücke, was bedeutet, dass es durch Verringerung seines Drift-Schicht-Widerstands zu einem besseren Leiter gemacht werden kann. Dies führt zu Stromverlusten beim Ausschalten, was wiederum kürzere Schaltzeiten und geringere Verluste in leistungselektronischen Bauelementen zur Folge hat.

Siliziumkarbid kommt in Moissanit-Edelsteinen in natürlicher Form vor; bei der Herstellung von Siliziumkarbid kommt jedoch in der Regel ein aufwendiges Verfahren zum Einsatz, das 1891 von Edward G. Acheson erfunden wurde. Dabei wird reiner Quarzsand (SiO₂) mit gemahlenem Petrolkoks in einem elektrischen Widerstandsofen vermischt und auf hohe Temperaturen erhitzt, um eine chemische Reaktion auszulösen, bei der Siliziumkarbid entsteht; heute ist dieses Verfahren die gängige Methode zur Herstellung von Schleifmitteln in Industriequalität, metallurgischen Werkstoffen und feuerfesten Materialien.

Stromleitfähigkeit

Leitfähigkeit findet sich überall – von Metallen wie Silber über Kunststoffe wie Gummi und Gummi-Gummi-Verbundwerkstoffe, Gummi und trockenes Holz bis hin zu Diamanten –, doch ihr charakteristisches Merkmal bleibt die Bewegung von Elektronen. Halbleiter nutzen ihre äußeren Orbitalelektronen für die Leitfähigkeit. Siliziumkarbid weist dank einer atomaren Struktur, die keinen Widerstand für seine Valenzelektronen bietet und diesen Elektronenfluss somit nicht behindert, eine außergewöhnlich hohe elektrische Leitfähigkeit auf; folglich bietet es eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit.

Siliziumkarbid (SiC) ist eine äußerst robuste chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Silizium mit einer hexagonalen Kristallstruktur und den Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke, die bei 3,26 eV liegt – im Vergleich zu 1,67 eV bei Silizium. Daher ist SiC ein außergewöhnlich guter elektrischer Leiter und eignet sich somit hervorragend für die Stromübertragung.

Die Beständigkeit von Siliziumkarbid gegenüber hohen Temperaturen und geringer Strahlung sowie seine Eignung für den Einsatz in Weltraumumgebungen machen es zu einem attraktiven Werkstoff für verschiedene Anwendungsbereiche. Darüber hinaus ermöglichen seine isolierenden Eigenschaften eine Verringerung sowohl der Größe als auch des Gewichts elektronischer Geräte bei gleichzeitiger Steigerung der Zuverlässigkeit.

Die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Siliziumkarbid schützt Bauteile vor äußeren Einflüssen, steigert den Wirkungsgrad und bewahrt sie gleichzeitig vor Schäden durch äußere Einflüsse. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner hohen Spannungsfestigkeit hervorragend für Anwendungen in der Energieübertragung, wie beispielsweise bei Freileitungen.

Siliziumkarbid kann zu verschiedenen Polytopen mit unterschiedlichen Eigenschaften verarbeitet werden. Drei dieser Polymorphe – 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC – werden aufgrund ihrer hervorragenden Elektronenbeweglichkeit und Temperaturbeständigkeit häufig in elektronischen Anwendungen eingesetzt; 4H-SiC weist eine kubische Kristallstruktur auf, während 3C-SiC eine tetraedrische Kristallstruktur aufweist.

SiC-Polytypen weisen ähnliche innere Mikrostrukturen auf, doch sind ihre Atome unterschiedlich angeordnet – was zu unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften führt. Dieser Unterschied ergibt sich aus den unterschiedlichen Koordinationsverhältnissen der Kohlenstoff- und Siliziumatome innerhalb eines Kristallgitters; dieses Phänomen wird als Polytypismus bezeichnet (weitere Informationen zur Kristallographie und zum Polytypismus von SiC finden Sie bei Powell et al. 1993).

Die elektrische Leitfähigkeit von Siliziumkarbid variiert direkt mit der Länge und ist umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche; sie wird in Siemens pro Meter (S/m) gemessen. Um die Leitfähigkeit einer beliebigen Probe zu berechnen, benötigen Sie Messwerte für Spannung, Strom und Länge sowie das Ohmsche Gesetz als Richtschnur: VIR = IjR = IR/R und S/I

Hitzebeständigkeit

Siliziumkarbid, besser bekannt als Carborundum, ist eine nicht-oxidische Keramik mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften, die sie für industrielle Anwendungen geeignet machen, bei denen eine hohe Hitzebeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erforderlich sind. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Festigkeit, Härte, thermischen Stabilität und Verschleißfestigkeit wird es seit langem in Produkten wie Schleifkörnern, verschleißfesten Bauteilen, feuerfesten Materialien und Keramiken eingesetzt; darüber hinaus bietet es zahlreiche Vorteile gegenüber Siliziumhalbleitern, darunter eine höhere Durchbruchspannung und eine überlegene Wärmeleitfähigkeit.

SiC wird durch seine chemische Zusammensetzung definiert, die seine elektrischen und thermischen Eigenschaften beeinflusst. Zunächst verhält sich SiC wie ein elektrischer Isolator; durch sorgfältiges Dotieren (das kontrollierte Einbringen von Verunreinigungen) lässt sich jedoch seine Halbleitfähigkeit freisetzen. Das Dotieren wird bei der Halbleiterherstellung häufig eingesetzt, da es die Bildung freier Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) ermöglicht, die die Leitfähigkeit des Materials erhöhen.

Siliziumkarbid in seiner reinen Form hat eine Dichte von etwa 3 kg/cm³. Sein spezifischer Wärmekoeffizient von 750 J/kg*K zeigt, dass zur Erhöhung der Temperatur um ein Kelvin eine beträchtliche Energiemenge erforderlich ist; daher eignet sich SiC hervorragend für den Einsatz in Umgebungen, in denen thermische Stabilität gefragt ist.

Die besondere Gitterstruktur von Siliziumkarbid besteht aus kovalenten Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen in Tetraederanordnung und Siliziumatomen, wodurch ein dicht gepacktes Gitter entsteht. Diese dichte Packung verleiht dem Material außergewöhnliche Festigkeit, Härte, geringe Sinterschrumpfung, Inertheit und geringe Wärmeausdehnung; zudem wird die Oxidationsbeständigkeit durch hohe Wärmeleitfähigkeit und höhere Ordnungszahlen weiter verbessert.

Das Sintern von Siliziumkarbid erfolgt nach einem ähnlichen Verfahren wie bei Wolframkarbid: Dabei werden Kohlenstoff- und Stickstoffgase in einem Ofen kombiniert, um das Material sowohl von unten als auch von oben zu erhitzen. So entsteht ein metastabiles Gemisch aus Karbid und Siliziumdioxid, das anschließend unter Druck gesetzt und schnell abgekühlt wird, bevor es zum Endprodukt wird. Littelfuse stellt Siliziumkarbid-Chips für den Einsatz in verschiedenen elektronischen Geräten her, die von der überragenden Durchbruchspannung, dem geringeren Widerstand pro Flächeneinheit und der höheren Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Spannungen profitieren.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid (oft mit “SiC” abgekürzt) ist eine synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff mit der chemischen Formel SiC. Als Keramik- und Halbleiterwerkstoff eignet sich SiC aufgrund seiner Eigenschaften für Anwendungen mit hohen Spannungen und Temperaturen, wie beispielsweise Schleifscheiben und Schneidwerkzeuge, die eine hohe Abrasivität erfordern; seine Verschleißfestigkeit macht es zudem unverzichtbar in industriellen Bereichen wie Ofenauskleidungen, Verschleißteilen in Pumpen und Raketentriebwerken sowie als Halbleitersubstrate für Leuchtdioden (LEDs).

Edward G. Achesons Entdeckung des Moissanits, eines äußerst seltenen natürlichen Minerals, im Jahr 1893 war der Anstoß für ein modernes Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid, das in Schleifmitteln, in der Metallurgie und bei feuerfesten Anwendungen zum Einsatz kommt. Acheson entwickelte ein Verfahren zur Synthese dieses Materials, bei dem Quarzsand in einem Elektroofen mit Kohlenstoff reduziert wurde; dies wurde zum wegweisenden Beispiel für die Methode, die sich seitdem als vorherrschend etabliert hat.

Bei der Herstellung von SiC wird reiner Quarzsand mit Kohlenstoff in Form von Koks in einem elektrischen Widerstandsofen vermischt und ein elektrischer Strom durch den Leiter geleitet, um eine chemische Reaktion zwischen dem Kohlenstoff im Koks und dem Silizium im Sand auszulösen, wodurch SiC entsteht. Der gesamte Prozess kann bis zu mehreren Tagen dauern, wird jedoch in der Regel kontinuierlich bei einer Temperatur von 2.700 °C durchgeführt.

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid wird sowohl durch seine Gitterstruktur als auch durch die Elektronenkonzentration bestimmt. Verbesserungen lassen sich durch die Zugabe von Bor erzielen, das die Gitterenergie senkt, sowie durch Dotierung mit n- oder p-Typ-Dotierungsstoffen, um die Leitfähigkeit zu verändern.

SiC weist selbst bei sehr hohen Temperaturen hervorragende elektrische Eigenschaften auf, darunter eine höhere Spannungsfestigkeit als herkömmliches Silizium und eine im Vergleich zu Galliumnitrid überlegene Leistung in Systemen, die Hochspannungskomponenten erfordern. Daher eignet sich SiC ideal für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, bei denen hohe Spannungsanforderungen erfüllt werden müssen.