Warum Siliziumkarbid eine gute Wahl für die elektrische Leitfähigkeit und andere Anwendungen ist

Siliziumkarbid ist ein hochentwickeltes Halbleitermaterial, das Elektrizität bei hohen Temperaturen leiten kann und gleichzeitig oxidationsbeständig ist und hohe Spannungen verträgt, was es zur perfekten Materialwahl für Anwendungen wie Autobremsen und -kupplungen sowie kugelsichere Westen macht.

Dotierstoffe wie Aluminium, Bor und Gallium können dazu beitragen, die elektrische Leitfähigkeit von porösem SiC zu steuern, indem sie darin P-Halbleiter erzeugen.

Es ist ein Halbleiter

Siliziumkarbid (SiC) ist eine künstlich hergestellte harte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Als extrem zähes und abriebfestes Material wird Siliziumkarbid in verschiedenen industriellen Bereichen eingesetzt, z. B. in Schleifpapier, Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen, feuerfesten Auskleidungen, verschleißfesten Teilen für Pumpen und Raketentriebwerke sowie als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden (LEDs).

Die Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und bemerkenswerter chemischer Beständigkeit macht SiC zu einem attraktiven Material für den Einsatz in rauen Umgebungen. Darüber hinaus ist SiC ein hervorragender elektrischer Leiter, der auch hohen Spannungen standhält.

SiC ist eines der wenigen Materialien mit einer einzigartigen Atomstruktur. Es kristallisiert in dicht gepackten Strukturen, in denen jedes Siliziumatom vier Elektronen mit seinen Nachbaratomen teilt, um kovalente Bindungen zu bilden und polytype Siliziumkarbidstrukturen zu bilden - es gibt über 200 einzigartige Anordnungen entlang der Richtung der dichten Packung, einschließlich eines kubischen Polytyps, der eine Zinkblende-Kristallstruktur hat; zu den nicht kubischen Formen von SiC gehören Alpha-Siliziumkarbid (a-SiC) und Beta-Siliziumkarbid (4H-SiC).

Die bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften von Siliziumkarbid ermöglichen eine breite Anwendung in elektronischen Bauteilen. Aufgrund seines weiten Betriebstemperaturbereichs und seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie seiner höheren Elektronenbeweglichkeit, die einen Betrieb mit höheren Frequenzen als bei den meisten Halbleitern ermöglicht, ist Siliziumkarbid ein ideales Material für Leistungsbauelemente wie Schottky-Dioden, MOSFETs und Transistoren.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von den meisten Metallen dadurch, dass es chemisch inert und in vielen Umgebungen korrosionsbeständig ist. Es ist resistent gegen Abrieb und Sandstrahlen und hält auch hohen Temperaturen stand. Auch die meisten Säuren und Laugen - mit Ausnahme von Flusssäure - greifen seine Struktur nicht an.

Eine gängige Methode zur Herstellung von SiC-Wafern ist die Reaktion von Quarzsand mit Kohlenstoffbrennstoff wie Petrolkoks in einem speziellen Ofen und das Schmelzen zu einer Paste, bevor sie unter Druck zu zylindrischen oder kugelförmigen Strukturen gesintert werden, in der Regel mit Bindemitteln wie Borkarbid oder Silikatglas als Binder. Nach dem Glühen wird es in Wafer geschnitten.

Es ist ein Leiter

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial mit zahlreichen Anwendungen. Es ist in elektronischen Hochleistungsgeräten wie Dioden, Transistoren und Thyristoren weit verbreitet. Aufgrund seiner großen Bandlücke kann es Strom bei hohen Frequenzen leiten und verfügt gleichzeitig über eine hervorragende physikalische Robustheit und Temperaturbeständigkeit, die es zu einem wichtigen Bestandteil von Industriematerialien wie Autobremsen und -kupplungen sowie Keramikplatten für kugelsichere Westen machen.

Siliziumkarbid ist in seinem ursprünglichen Zustand ein elektrischer Isolator; in Verbindung mit Verunreinigungen oder Dotierstoffen kann es jedoch als Leiter eingesetzt werden. Durch die Dotierung mit Aluminium, Bor oder Gallium erhält es P-Halbleitereigenschaften; durch die Zugabe von Stickstoff oder Phosphor werden N-Halbleitereigenschaften erzeugt, die es ermöglichen, das Material in verschiedenen Bauelementen zu verwenden.

Kubisches SiC wird auf zwei Arten hergestellt: durch Auflösen in geschmolzenem Silizium oder durch chemische Gasphasenabscheidung. Die Hersteller verwenden beide Verfahren, um Wafer herzustellen, die später zu Chips für elektronische Geräte verarbeitet werden. Beide Verfahren verbrauchen beträchtliche Energie und Ausrüstungsressourcen, was ihre Herstellung für viele Hersteller letztlich unerschwinglich macht.

Eine Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit von SiC zu erhöhen, ist die Zugabe von Kohlenstoff oder Metallnitriden, wie z. B. Ruß. Diese Zusatzstoffe verringern die Oxidation während der Herstellung und erhöhen gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit. Außerdem tragen diese Nitride zu einer geringeren Dichte bei, was die mechanische Festigkeit erhöht.

Zusatzstoffe wie Katalysatoren können sich auch auf die elektrische Leitfähigkeit von porösen Verbundwerkstoffen auf SiC-Basis auswirken und deren elektrische Leitfähigkeit erheblich verändern. Solche Additive verändern die Morphologie der sekundären Phase und die Leitfähigkeit direkt; es ist daher wichtig, ihren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit zu verstehen.

Wir haben die elektrische Leitfähigkeit poröser Keramiken auf SiC-Basis intensiv charakterisiert, indem wir ihre Morphologie und Porosität bewerteten, ihre kristalline Struktur mit hauseigenen elektronenmikroskopischen und röntgendiffraktometrischen Instrumenten maßen und die Leitfähigkeit unter Verwendung von Graphen in der Sekundärphase und seiner Morphologie als Schlüsselvariablen testeten. Die Ergebnisse zeigen, dass die keramischen Morphologien aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Silizium-Kohlenstoff-Redoxspezies resultieren, während die Leitfähigkeit von beiden Parametern abhängt.

Es ist ein Wärmeleiter

Siliziumkarbid ist ein unverzichtbares Material für zahlreiche industrielle Anwendungen, von seiner unvergleichlichen Härte und Verschleißfestigkeit bis hin zu seiner Funktion als Halbleiter und elektrischer Leiter. Dank dieser Eigenschaften hat diese vielseitige Verbindung erheblich zur Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit in verschiedenen Sektoren beigetragen.

Siliciumcarbid (SiC) ist ein unlöslicher, schwarzer bis brauner Feststoff mit einer Mohs'schen Härteskala von 9, der aus Kohlenstoff in Kombination mit Sand besteht, der durch Hochtemperaturerhitzung seine einzigartige atomare Struktur erhält und eine hervorragende Festigkeit, Zähigkeit, Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und Zähigkeit aufweist. Siliciumcarbid kann durch Erhitzen bei hohen Temperaturen hergestellt werden, um diese elastische Verbindung zu erzeugen, die unter anderem als feuerfestes Material in Pumpenlagern, Ventilen, Einspritzdüsen für Schleifmittel und Strangpresswerkzeugen verwendet wird.

SiC hat eine höhere elektrische Eigenleitfähigkeit als reines Silizium und wurde bei Raumtemperatur mit über 100 Ohm-cm-1 gemessen. Diese Leitfähigkeit hängt von der Kristallstruktur, der Phase und der Mikrostruktur ab, kann aber durch Dotierung mit n- oder p-leitenden Verunreinigungen wie Aluminium, Gallium, Bor, Stickstoff oder Phosphor erhöht werden. Insbesondere die Dotierung von Siliciumcarbid mit Gallium, Bor oder Aluminium erhöht die metallähnliche Leitfähigkeit, während Beryllium, Niob oder Wolfram dazu beitragen können, SiC vom p-Typ zu erhalten.

SiC hat unglaubliche thermische Eigenschaften und eine attraktive breite Bandlücke, die es zu einem attraktiven Material für elektronische Anwendungen machen. Goldman Sachs prognostiziert, dass der Einsatz von Siliziumkarbid in Wechselrichtern zum Laden von Elektrofahrzeugen die Reichweite und die Leistungsdichte erhöhen und gleichzeitig die Größe und Kosten des Batteriemanagementsystems verringern würde.

Siliciumcarbid kommt in zwei polymorphen Formen vor: Alpha-SiC hat eine hexagonale Kristallstruktur, die der von Wurtzit ähnelt, während Beta-SiC Zinkblende-Kristalle wie Diamant aufweist. Bis vor kurzem hatte Beta-SiC nur begrenzte kommerzielle Anwendungen, bis seine Zinkblende-Kristallstruktur es als Trägermaterial für heterogene Katalysatoren nützlich machte; seine gleichmäßige Oberfläche machte die Katalyse auf dem Substrat effektiver. Außerdem hat Beta-SiC einen niedrigeren Dampfdruck und einen höheren Schmelzpunkt als Aluminiumoxid und Aluminium.

Es ist ein magnetisches Material

Siliziumkarbid (SiC) ist ein industrielles keramisches Material, das sowohl in Hochtemperatur- als auch in Hochspannungsumgebungen häufig eingesetzt wird. Aufgrund seiner Härte wird SiC häufig als wesentliches Schleifmittel in vielen Bearbeitungs-, Abrasions- und Strahlverfahren eingesetzt; außerdem ist es aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit von unschätzbarem Wert. In reinem Zustand wirkt SiC als elektrischer Isolator, während eine kontrollierte Dotierung zu Halbleitern führen kann.

Siliciumcarbid zeichnet sich durch seine große Bandlücke aus - die Energielücke zwischen den Valenz- und Leitungsbändern der Atome, aus denen es im Kristall besteht -, die bestimmt, ob ein Material als Leiter, Isolator oder Halbleiter gilt. Leiter weisen eine überlappende Bandlücke auf, so dass sich die Elektronen ungehindert vom Valenzband in das Leitungsband bewegen können, während bei Isolatoren erhebliche Energiemengen erforderlich sind, damit die Elektronen diese Kluft überwinden können.

Siliciumcarbid kann durch Hinzufügen von nichtmetallischen Verunreinigungen magnetische Momente erzeugen; diese Momente können jedoch relativ schwach sein, da die ungestörte Masse von NM-SiC sehr kleine Bindungsenergien aufweist und Kohlenstoff eine geringere Elektronegativität als Silicium besitzt. Außerdem hängen die magnetischen Momente davon ab, wie eng die benachbarten Kohlenstoffatome ausgerichtet sind.

Der primäre Beitrag der Siliciumvakanz VSi zu ihrem magnetischen Moment liegt in ungepaarten p-Elektronen, die sich an drei Kohlenstoffatomen mit baumelnden Bindungen befinden; im Vergleich dazu enthält die Siliciumvakanz VSe nur zwei solcher ungepaarten p-Elektronen und leistet nur einen geringeren Beitrag zu den magnetischen Momenten.

Siliciumcarbid gibt es in verschiedenen Polytypen mit unterschiedlichen Schichtstrukturen und Stapelreihenfolgen: Bei einem A-Polytyp sind die Schichten in A-Position gestapelt; bei den B- und C-Polytypen sind die Schichten an bestimmten Positionen im Stapel gestapelt, während der C-Polytyp im Allgemeinen für Hochtemperaturanwendungen bevorzugt wird. A- und B-Polytypen können in elektrischen Geräten verwendet werden, während C-Polytypen bevorzugt werden, wenn sie höheren Temperaturen ausgesetzt sind.

Siliziumkarbid zeichnet sich nicht nur durch seine hervorragenden thermischen Eigenschaften aus, sondern auch durch seine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Seine Spannungsfestigkeit ist 10-mal höher als die von Galliumnitrid, wodurch es sich für Energie- und Sensoranwendungen sowie für Anwendungen eignet, die Temperaturschwankungen erfordern. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumkarbid macht es in dieser Hinsicht besonders attraktiv.