Compuesto de carburo de silicio para electrónica de potencia

El carburo de silicio (SiC) cuenta con propiedades excepcionales que lo hacen muy deseado en muchas aplicaciones, desde la electrónica de potencia en vehículos eléctricos hasta la electrónica de semiconductores en general. Las propiedades de semiconductor de banda prohibida ancha del SiC ofrecen una menor resistencia a temperaturas más altas para sistemas de conversión de potencia más pequeños y rápidos con mayor eficiencia energética.

El SiC se encuentra de forma natural en cantidades ínfimas en meteoritos, corindón y depósitos de kimberlita; sin embargo, la mayor parte de la producción comercial de carburo de silicio se realiza sintéticamente.

Propiedades físicas

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cerámico excepcionalmente fuerte y duro, con una dureza Mohs cercana a la del diamante, que ofrece una excelente conductividad térmica y eléctrica, un punto de fusión extremadamente alto, resistencia a la corrosión y a la dilatación térmica, propiedades que lo hacen adecuado para aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena o matrices de extrusión. Como conductor eléctrico y material semiconductor, también presenta excelentes propiedades de resistencia; la resistencia del SiC es 10 veces superior a la del silicio (Si), así como la resistencia a la tensión.

El SiC es un material muy compacto formado por átomos de carbono y silicio unidos covalentemente en estructuras tetraédricas mediante enlaces covalentes, unidos en sus esquinas mediante enlaces covalentes para formar poliedros que se apilan en estructuras polares denominadas poliedros, cuyas estructuras cristalinas determinan sus propiedades físicas; el SiC es insoluble en agua pero soluble en álcalis como NaOH o KOH, así como en hierro.

Los materiales de estado sólido ofrecen excelentes propiedades eléctricas y pueden convertirse en conductores o aislantes en función de la anchura de su banda prohibida; los electrones se mueven fácilmente entre las bandas de valencia y conducción gracias a esta amplia banda prohibida; en comparación, los aislantes suelen tener bandas prohibidas muy grandes que requieren cantidades considerables de energía para que los electrones salten la banda prohibida y pasen a las bandas de conducción.

El SiC destaca por su amplio bandgap, que le permite soportar temperaturas muy elevadas sin fundirse, lo que lo hace perfecto para hornos industriales o motores de cohetes. Además, la resistencia a la radiación del SiC le permite absorber y retener energía térmica durante largos periodos.

Como tal, el SiC es un material ideal para la tecnología espacial por su resistencia a temperaturas extremas y a la exposición a la radiación. Por ejemplo, la primera exploración europea de Mercurio, BepiColombo, utiliza diodos de bloqueo de SiC desarrollados por Alter Technology -especialista en electrónica dedicada a entornos espaciales- como parte de su misión bepiColombo; estos diodos aumentan la eficiencia de los inversores para vehículos eléctricos mejorando la autonomía. Además, las excelentes propiedades eléctricas del SiC también permiten que los inversores de los vehículos eléctricos aumenten significativamente la autonomía de conducción

Propiedades químicas

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico no oxidado con muchas propiedades químicas y físicas deseables, como la resistencia al calor, la abrasión, la corrosión y la densidad. Al tratarse de un material denso con un punto de fusión elevado, es ideal para aplicaciones a altas temperaturas; además, su coste es muy inferior al de otros materiales cerámicos; su conformabilidad permite obtener diversas formas en distintos grados, incluidas las variantes alfa (a-SiC) y beta de los polimorfos del SiC, que han irrumpido recientemente en el mercado; la variante alfa es la más utilizada; sin embargo, su variante beta ha conseguido recientemente una importante cuota de mercado a medida que aumenta su uso comercial; las formas a-SiC siguen dominando el mercado.

El SiC es un material muy versátil que se utiliza en aplicaciones tan diversas como abrasivos y herramientas de corte, materiales estructurales (chalecos antibalas y discos de freno de automóviles), ladrillos refractarios, pararrayos y espejos de telescopios astronómicos. Además, la amplia banda prohibida del SiC permite a los electrones pasar más libremente de sus bandas de valencia a sus bandas de conducción, lo que da lugar a campos eléctricos de conmutación más elevados, con tasas de conversión de potencia más rápidas y una mayor eficiencia energética.

Debido a las distintas disposiciones de los átomos de carbono y silicio en su estructura cristalina, cada polipo de SiC presenta sus propias características eléctricas. Si bien todo el SiC actúa como aislante a temperatura ambiente, con el dopaje adecuado puede convertirse en un semiconductor de tipo p o de tipo n.

La resistencia del carburo de silicio a las altas temperaturas y tensiones lo convierte en un material indispensable en la producción de dispositivos electrónicos semiconductores, pero también ha encontrado aplicación en aplicaciones como los termopares de horno y los reactores de lecho fluidizado.

El carburo de silicio se produce de forma natural como la piedra preciosa moissanita; sin embargo, desde 1893 se produce en masa tanto en forma de polvo como de cristales para su uso como abrasivo. El carburo de silicio también puede fundirse para producir cerámicas muy duraderas que se utilizan en aplicaciones que requieren una gran resistencia, como frenos de automóviles, embragues y chalecos antibalas.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor avanzado compuesto de carbono (C) y silicio (Si), que constituye un material semiconductor compuesto sólido con excelentes propiedades mecánicas y estabilidad térmica, química y mecánica. Las estructuras polimórficas del SiC presentan diferentes características físicas; el 4H-SiC es uno de esos poliotipos que ofrece bajas pérdidas internas sin dejar de ofrecer características dinámicas adecuadas para entornos de alta temperatura.

El SiC se distingue por una estructura tetraédrica compuesta por átomos de silicio y carbono unidos por fuertes enlaces covalentes dentro de su red cristalina, lo que le confiere su dureza, resistencia y durabilidad. El SiC es una de las sustancias más duras conocidas (más incluso que la moissanita y el diamante). El SiC puede transformarse fácilmente en varios productos mediante diversos procesos y se utiliza ampliamente en la lapidaria moderna. Además, el SiC sirve como abrasivo en muchas industrias de mecanizado, como el rectificado, el corte por chorro de agua y las operaciones de chorro de arena.

Los materiales cerámicos refractarios como la pirita tienen una excelente estabilidad a la corrosión y a las altas temperaturas, lo que los hace adecuados para su uso en ladrillos refractarios y otras aplicaciones cerámicas refractarias como los ladrillos refractarios. Con altos puntos de fusión de más de 2000degC, la cerámica refractaria ofrece una buena resistencia a la oxidación y a la descomposición a temperaturas elevadas, lo que la convierte en un material útil.

Ideal para su uso en entornos extremos, como entornos de vidrio fundido y hornos, y aplicaciones que funcionan a temperaturas muy altas, como la generación de energía o la electrónica, este material también cuenta con un módulo de Young extremadamente alto que le permite soportar cargas de compresión con gran resistencia.

A diferencia de muchos materiales cerámicos, el SiC no absorbe la humedad, lo que lo convierte en un material excelente para aplicaciones estructurales (chalecos antibalas y frenos de coches) y en astronomía (los espejos de los telescopios se fabrican con SiC). Además, el proceso Lely permite fabricar monocristales para aplicaciones electrónicas avanzadas, que luego se cortan en obleas y se transforman en dispositivos de estado sólido.

Propiedades eléctricas

La pureza química del carburo de silicio, su resistencia a altas temperaturas y sus propiedades de conducción eléctrica lo convierten en una elección popular como soporte de bandejas de obleas y paletas en hornos de semiconductores. Además, el carburo de silicio tiene muchos usos, como elementos calefactores resistivos en hornos eléctricos, así como componentes de resistencias variables en temperatura (termistores) y resistencias variables en tensión (varistores). Además, la naturaleza robusta del carburo de silicio también lo hace adecuado para entornos difíciles como fundiciones, líneas de producción metalúrgica, instalaciones de fabricación de moldes, revestimientos de moldes y revestimientos de canaletas, entre otros.

El carburo de silicio es un polvo negro-grisáceo a verde o un material sólido gris insoluble en agua, alcohol y ácidos. Con una densidad específica de 3,21 g/cm3, el carburo de silicio es más denso que la cerámica común, pero menos denso que algunos metales.

El litio tiene un punto de fusión de 3.200 ºC y un punto de ebullición de 1.650 ºC. Es un material inerte, duro y quebradizo con una excelente conductividad térmica que resiste los golpes y los daños por impacto, mecanizado mediante métodos convencionales como el esmerilado, el bruñido, el aserrado y el corte por chorro de agua; lo que lo convierte en un componente integral en la lapidaria moderna que utiliza su dureza para cortar piedras preciosas. Además, el litio desempeña un papel esencial en la creación de crisoles para aplicaciones de alta temperatura, como los fabricados con aleación de carburo de wolframio.

Los conductores permiten que la electricidad fluya continuamente; los semiconductores sólo muestran propiedades semiconductoras cuando son estimulados por corrientes eléctricas o campos electromagnéticos. Por lo general, el SiC es un aislante; sin embargo, cuando se dopa con dopantes de fósforo, nitrógeno, boro o aluminio, sus propiedades semiconductoras cobran vida y exhibe conductividad. Con una banda prohibida tres veces más ancha que la de los semiconductores de silicio típicos, el SiC puede manejar voltajes y frecuencias más altos con facilidad.

Mientras que la moissanita natural es rara en la Tierra, la mayor parte del carburo de silicio comercializado es sintético. El carburo de silicio se encuentra con más frecuencia en el espacio exterior como parte del polvo estelar que cae de las estrellas ricas en carbono que aquí en la Tierra; además, suele estar presente en los yacimientos de kimberlita utilizados para extraer diamantes.