Was sind die elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein extrem hartes Material, das auf der Mohs'schen Skala mit 9 bewertet wird - vergleichbar mit Diamant. Es verfügt über einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hervorragende Chemikalien- und Wärmebeständigkeit sowie eine überragende Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. SiC weist auch eine außergewöhnliche Abriebfestigkeit auf.

Aufgrund seiner kristallinen Struktur bildet Graphen polymorphe Formen mit unterschiedlichen Stapelsequenzen - oder Polytypen - aus, die eine Reihe interessanter elektrischer Eigenschaften hervorrufen.

Seebeck-Koeffizient

Der Seebeck-Koeffizient eines Materials ist ein Maß für seine thermoelektrische Spannung als Reaktion auf Temperaturunterschiede in einem Material, die durch Ladungsträger wie Elektronen oder Elektronenlöcher in der Materialmatrix erzeugt werden. Sein Vorzeichen hängt davon ab, welche Form vorherrscht - entweder positiv oder negativ, je nachdem, welche Ladungsträgerform in diesem Fall vorherrscht. Mit steigendem Wert nimmt auch die thermoelektrische Stromerzeugung zu.

Der Seebeck-Koeffizient kann gemessen werden, indem man zwei ungleiche Materialien an ein Voltmeter anschließt und die Ausgangsspannung misst. Diese Spannung hängt von ihren relativen Seebeck-Koeffizienten sowie von einem konstanten Wert, dem Platin (Pt), ab. Das Verhältnis der gemessenen Spannung zu den zugehörigen Seebeck-Koeffizienten wird als thermoelektrische Leistung bezeichnet.

Will man den Seebeck-Koeffizienten einer Verbindung erhöhen, so muss ihre metallische Umgebung so eingestellt werden, dass die Ladungsträgerkonzentration maximiert wird. Ein wirksames Mittel ist die Dotierung mit Atomen von Seltenen Erden oder Übergangsmetallen wie Nb, Ti und Zn; zusätzlich kann er auch durch Ionenstrahl-Dotierung erhöht werden.

Der Seebeck-Koeffizient von Materialien lässt sich mit einer einfachen Formel berechnen, die als S/(D+r) angegeben wird. F oder das Fermi-Integral kann dann mit MATLAB-Software berechnet werden und stellt die Genauigkeit für die meisten Feststoffe bei brauchbaren Temperaturen dar; die Werte unterscheiden sich jedoch von Material zu Material.

Je nach Art des Halbleiters ist der optimale Seebeck-Koeffizient unterschiedlich. So haben p-Typ-Halbleiter in der Regel viel höhere Seebeck-Koeffizienten als n-Typ-Halbleiter, da in ihrem Leitungsband mehr freie Elektronen vorhanden und aktiv sind als bei ihren p-Typ-Gegenstücken.

Verunreinigungen verändern nicht nur den Seebeck-Koeffizienten von Materialien, sondern können auch ihre elektrischen Eigenschaften und ihre Energiebänder verändern, indem sie Resonanzen erzeugen; dies kann zu einer asymmetrischen Bandstruktur führen oder die Energielücke verändern.

Widerstandsfähigkeit

Siliziumkarbid in seiner reinsten Form ist ein elektrischer Isolator und lässt keine Elektronen fließen. Es wird erst dann zum Halbleiter, wenn seiner Kristallstruktur durch Dotierung Verunreinigungen hinzugefügt werden - dadurch können sich die Ladungsträger frei bewegen, wodurch der Widerstand erheblich sinkt und sich der Widerstand mit zunehmendem Dotierungsgrad deutlich verringert. Mit zunehmendem Dotierungsgrad nimmt der Widerstand tendenziell ab.

Durch die Dotierung werden mehr Elektronen und Löcher im Material verfügbar, wodurch der Stromfluss verbessert wird, was zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit des Materials führt. Die Physik definiert den spezifischen elektrischen Widerstand von Materialien als ihren Widerstand multipliziert mit der Länge geteilt durch die Querschnittsfläche - und die Maßeinheit für den spezifischen Widerstand ist das Ohm.

Das Ohmsche Gesetz ist logarithmisch; daher lautet die Formel zur Berechnung des elektrischen Widerstands einer beliebigen Probe R = (R + log(r)/log(l), wobei die Maßeinheiten Ohm-Sekunden und Meter umfassen. Der spezifische Widerstand ist ein wesentlicher Bestandteil von Stromverteilungssystemen und Erdungsmethoden und trägt dazu bei, deren Effizienz und Wirksamkeit zu bestimmen.

Da der spezifische elektrische Widerstand von Siliciumcarbid von seiner Struktur abhängt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir die bestimmenden Faktoren kennen. Zu beachten ist auch der geringere Widerstand im Vergleich zu typischen metallischen oder keramischen Werkstoffen; außerdem kann sich der Widerstand mit der Temperatur und zwischen verschiedenen Arten von Siliziumkarbidproben ändern.

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Bandlücke

Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial mit einer Energielücke von ca. 3,26 eV, die freie Elektronen- und Löcherniveaus voneinander trennt, um zu verhindern, dass sie sich zu Ionen zusammenschließen, die den elektrischen Fluss stören würden. Aufgrund dieser großen Energielücke kann Elektronik aus Siliziumkarbid bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen betrieben werden als Siliziumgeräte.

Die halbleitenden Eigenschaften von Siliciumcarbid ermöglichen den Einsatz bei hohen Temperaturen und in abrasiven Umgebungen, so dass es sich für Autobremsen, Kupplungen, Keramikplatten in kugelsicheren Westen und kugelsichere Westen eignet, und seine Oxidationsbeständigkeit macht es zu einem wichtigen Bestandteil von feuerfesten Hochtemperaturmaterialien.

Siliciumcarbid leitet keinen Strom wie Metalle, aber seine elektrischen Eigenschaften können durch Dotierung verändert werden. Bei der Dotierung werden Verunreinigungen in die Kristallstruktur eingebracht, um die Zahl der freien Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) zu erhöhen und so die Leitfähigkeit zu verbessern. Dotierung ist in der Halbleiterindustrie weit verbreitet, um die elektrischen Eigenschaften von Materialien zu steuern.

Die elektrischen Eigenschaften und die robuste Wärmeleitfähigkeit von Siliciumcarbid haben es zu einem integralen Bestandteil der Leistungselektronik gemacht. IGBTs und bipolare Transistoren gehörten zu den ersten Leistungshalbleitern, bei denen Siliziumkarbid zum Einsatz kam, da es einen geringeren Einschaltwiderstand als Silizium-Pendants aufweist und gleichzeitig höhere Durchbruchspannungen verarbeiten kann.

Im Zuge der technologischen Entwicklung findet Siliziumkarbid neue Anwendungen. Aufgrund seiner geringen Wärmeausdehnung und Härte eignet es sich beispielsweise ideal als Spiegelmaterial für astronomische Teleskope; außerdem wurden aus diesem Material leichte und dennoch widerstandsfähige Teilsysteme für Raumfahrzeuge hergestellt, die den Bedingungen im Weltraum erfolgreich standhalten.

Die physikalischen und elektronischen Eigenschaften von Siliziumkarbid revolutionieren die Leistungselektronik für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch. Bauteile auf SiC-Basis können sowohl hohen Temperaturen als auch hohen Spannungen standhalten, was für Elektromotoranwendungen unerlässlich ist. Darüber hinaus tragen die geringeren Schaltverluste und die geringere Wärmeentwicklung zur Steigerung des Wirkungsgrads bei und erhöhen so die Gesamteffizienz. Darüber hinaus sind SiC-Bauelemente weniger anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), so dass sie sich für Hochfrequenzwandler eignen.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die angibt, wie viel Wärme in einer Zeiteinheit über eine Oberfläche übertragen wird. Siliziumkarbid verfügt über eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und eignet sich daher für Anwendungen, die eine effektive Wärmeableitung erfordern. Seine Wärmeleitfähigkeit übertrifft sogar die von Kupfer und ist etwa dreimal besser als die von reinem Silizium.

Siliziumkarbid, eine kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, gilt seit langem als unverzichtbarer industrieller Werkstoff in zahlreichen Bereichen. Dank seiner mechanischen Robustheit, seiner elektrischen Eigenschaften und seiner thermischen Stabilität ist Siliziumkarbid eine ideale Alternative zu vielen anderen Werkstoffen in verschiedenen Anwendungen - insbesondere in der Elektronik, wo es aufgrund seiner großen Bandlücke wesentlich höhere Spannungen und Frequenzen verarbeiten kann als herkömmliche Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis.

Der Amerikaner Edward C. Acheson sorgte 1891 für Schlagzeilen, als er elektrische Hitze aus einem Kraftwerk nutzte, um Ton mit Kohlenstoff zu infundieren, wodurch sechseckige Kristalle entstanden, die hart genug waren, um Glas zu zerkratzen. Achesons Erfindung revolutionierte die Produktion von Leuchtdioden (LEDs), Detektoren in frühen Radios, Autobremsen und -kupplungen, keramischen kugelsicheren Westen und abriebfesten feuerfesten Materialien.

Die physikalische Robustheit und die geringe Permeabilität von Polycarbonat machen es zu einem ausgezeichneten Ersatz für Stahl bei Anwendungen, die Abriebfestigkeit erfordern, wie z. B. bei Verschleißplatten. Darüber hinaus eignet sich Polycarbonat aufgrund seiner Oxidationsbeständigkeit und Temperaturstabilität für raue Umgebungen im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrt, während seine chemische Inertheit es resistent gegen Korrosion durch aggressive Chemikalien macht.

Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid macht es zu einem ausgezeichneten Material für Anwendungen, die eine effiziente Wärmeübertragung erfordern, wie z. B. Elektroöfen und Induktionsheizgeräte. Darüber hinaus unterstützt sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient die strukturelle Integrität auch bei hohen Temperaturen.

Reines Siliciumcarbid verhält sich zwar wie ein Isolator, aber durch Zugabe von kontrollierten Verunreinigungen wie Aluminium kann es halbleitende Eigenschaften erhalten. Durch die Zugabe von Aluminium erhält man beispielsweise SiC vom p-Typ, während die Zugabe von Sauerstoff SiC vom n-Typ erzeugt - diese Verunreinigungen können durch verschiedene Methoden eingeführt werden, darunter Ionenimplantation und chemische Dotierung. SiC wird häufig als Basismaterial für Hochleistungs-Halbleiterbauelemente wie IGBTs und bipolare Transistoren gewählt, da es wesentlich höhere Durchbruchsspannungen und Frequenzen aufweist als andere Halbleiter auf Siliziumbasis.