Conductividad eléctrica del carburo de silicio

El carburo de silicio es un material cada vez más utilizado en aplicaciones electrónicas por sus propiedades de dureza, conductividad térmica y estabilidad química. Además, sus cualidades aislantes lo hacen adecuado para placas de circuitos y otros componentes.

La mayor banda prohibida del carburo de silicio lo hace adecuado para su uso en dispositivos electrónicos semiconductores que funcionan a frecuencias y tensiones más altas que el silicio normal.

Coeficiente Seebeck

El coeficiente Seebeck mide la diferencia de potencial termoeléctrico entre dos puntos de un conductor. Depende de varias magnitudes físicas, como el nivel de Fermi, la masa efectiva y el tiempo de relajación del material en cuestión; el tipo de impureza o la estructura cristalina pueden influir; puede ser positivo o negativo en función de si los electrones o los huecos dominan su composición; por tanto, es fundamental comprender su física fundamental para predecir con exactitud la conductividad térmica de los materiales.

La tensión generada por la corriente termoeléctrica es directamente proporcional a su gradiente de temperatura entre los puntos en contacto. El control de la temperatura puede realizarse mediante dos voltímetros separados conectados en cada extremo del circuito, utilizando las diferencias de temperatura como indicación de la diferencia de potencial. Una vez calculada, esa diferencia sirve para generar medidas de tensión.

En los semiconductores, el voltaje viene determinado por la relación entre la energía media de los electrones en la banda de conducción y el gradiente de temperatura entre electrodos. Además, el coeficiente Seebeck varía con el nivel de dopaje y la estructura cristalina; por ejemplo, los semiconductores de tipo p suelen tener coeficientes Seebeck más bajos que sus homólogos de tipo n debido a las mayores concentraciones de electrones dentro de sus bandas de conducción por los cambios en el nivel de dopaje que aumentan la conductividad al incrementar la concentración de electrones dentro de sus bandas de conductancia.

Una forma de aumentar el coeficiente Seebeck es elevar su temperatura. Esto aumentará la energía media de los electrones y absorberá más energía térmica, lo que contribuirá a aumentar la densidad de potencia de las células de carburo de silicio.

Para medir el coeficiente Seebeck, un método primario consiste en calentar un extremo de una muestra mientras se mide simultáneamente su diferencia de temperatura en otro extremo, lo que se conoce como método integral. Una de las ventajas de este método es su capacidad para captar con precisión grandes gradientes térmicos con frecuencias más bajas; sin embargo, uno de sus inconvenientes puede ser que se necesiten varias decenas de periodos de oscilación antes de que las lecturas puedan estabilizarse lo suficiente.

Bandgap

La banda prohibida es un intervalo de niveles de energía prohibidos que separa la banda de valencia más alta de la banda de conducción más baja en un sólido. Este intervalo determina el comportamiento de los conductores, aislantes y semiconductores y confiere a cada uno de ellos sus propiedades únicas.

La anchura de la banda prohibida de un material determina la facilidad con la que los electrones se mueven entre su banda de valencia y su banda de conducción, movimiento que permite que la electricidad circule a través de materiales sólidos como el diamante. Además, su impacto puede determinar cómo reacciona a los campos eléctricos, así como si los métodos de dopaje o tunelización pueden hacer que el sólido sea más conductor.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio lo convierte en un material magnífico para semiconductores de potencia, capaz de soportar tensiones, temperaturas y frecuencias más elevadas que otros materiales, lo que lo hace idóneo para aplicaciones como estaciones de carga de vehículos eléctricos y convertidores CC/CC para vehículos eléctricos.

El bandgap de un material viene determinado por su estructura molecular. El carburo de silicio tiene dos bandas de energía por encima de su banda de valencia: la banda de conducción y la banda de valencia; cuando esta brecha se cierra, los electrones no pueden transferirse de la banda de valencia a la banda de conducción subyacente para crear corriente. Sin esta transferencia de electrones, no se puede generar corriente eléctrica.

Abrir la brecha de banda requiere un gasto de energía significativo para excitar a los electrones desde sus bandas de valencia a sus bandas de conducción; esto dificulta la fabricación de aislantes de carburo de silicio. Sin embargo, al reducir la brecha de banda, los electrones pueden ser excitados más fácilmente y transportados a través de sus bandas de conducción por su propia energía.

Una forma de reducir la brecha de banda de un material es añadir impurezas a su cristal. Estas impurezas actúan como "donantes" o "aceptores" de electrones, ayudándonos a controlar la distribución de electrones dentro de las bandas.

Conductividad térmica

El carburo de silicio es un material semiconductor con unas propiedades eléctricas excepcionales que lo hacen muy adecuado para dispositivos electrónicos que amplifican, conmutan o convierten señales en un circuito eléctrico. Gracias a su amplia brecha de banda y a su mayor resistencia a las fluctuaciones de tensión y frecuencia que los semiconductores de silicio estándar, el carburo de silicio puede soportar tensiones y frecuencias mucho más altas sin perder resistencia, lo que resulta ideal para aplicaciones como bombas, válvulas y placas cerámicas de chalecos antibalas que deben resistir choques químicos y mecánicos, como bombas o válvulas químicas.

La resistividad eléctrica del SiC puede depender de su poliotipo y de las condiciones de procesado, teniendo beta (b, cúbico o C-SiC) menor resistividad eléctrica que alfa (hexagonal o A-SiC). Además, el SiC poroso sinterizado puede influir en esta propiedad; los que tienen menor porosidad suelen presentar una menor resistencia a la corriente eléctrica.

Aunque suele ser un aislante en su forma más pura, el carburo de silicio puede conducir la electricidad si se le añaden impurezas. Los dopantes pueden elegirse para crear semiconductores tipo P o tipo N: el dopaje con aluminio da lugar a dispositivos tipo P, mientras que el dopaje con nitrógeno/fósforo produce dispositivos tipo N.

Las propiedades eléctricas del carburo de silicio pueden modificarse aún más mediante el dopaje con determinados aditivos como carbono, hidrógeno, nitrógeno, estaño y tungsteno. Alterando los niveles de energía dentro de su banda prohibida y aumentando o disminuyendo la conductividad respectivamente. Por lo general, a mayor concentración de dopantes, mayor conductividad del carburo de silicio.

La conductividad térmica del carburo de silicio depende de su tipo, nivel de dopaje y condiciones de procesamiento. Un valor típico para un material de tipo p oscila entre 180-250 Wm-1K-1, mientras que 50-70 Wm-1K-1 es típico para los cuerpos de carburo de silicio de tipo n. Ambos valores son significativamente inferiores a los de los materiales metálicos debido a las diferencias entre aniones y cationes en su red cristalina cúbica centrada en la cara, así como a las diferencias en la separación de átomos entre los cuerpos de tipo p y de tipo n, factores que influyen directamente en su capacidad para conducir la electricidad y el calor de forma eficiente.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica (CE) de los materiales determina la facilidad con la que la corriente eléctrica puede pasar a través de ellos y es una propiedad esencial que puede medirse utilizando Siemens por distancia u Ohm-metro (m1). Un valor más bajo indica mejor conductividad, mientras que valores más altos indican resistencia; estas propiedades son clave para aplicaciones como mantener un flujo de corriente adecuado o proteger los elementos del circuito contra el sobrecalentamiento.

La estructura cristalina del carburo de silicio le confiere una dureza y una inercia química excepcionales, lo que lo convierte en un material excelente para su uso en aplicaciones industriales críticas que requieren fiabilidad y durabilidad. Su dureza Mohs de 9 demuestra su resistencia; además, resiste la abrasión y la corrosión incluso en condiciones ambientales adversas. Además, las propiedades térmicas, químicas y eléctricas del carburo de silicio lo convierten en una opción atractiva para la fabricación de componentes electrónicos con capacidad para soportar altos niveles de radiación.

El carburo de silicio destaca como material semiconductor único por su bajo coeficiente de dilatación térmica cuando se expone a temperaturas elevadas, manteniendo su integridad estructural incluso en circunstancias difíciles.

La elevada conductividad térmica del SiC y su gran energía de banda prohibida le permiten funcionar a temperaturas más elevadas que muchos otros materiales, lo que lo hace adecuado para soportar cargas de radiación más elevadas en entornos difíciles, así como tensiones mecánicas y vibraciones. Además, el SiC puede soportar tensiones mecánicas y vibraciones sin degradarse con el tiempo.

El carburo de silicio se produce mediante un complejo proceso que consiste en calentar arena de sílice con fuentes de carbono, como el coque de petróleo, en un horno Acheson a altas temperaturas. Este proceso a altas temperaturas da como resultado un compuesto insoluble con numerosas aplicaciones beneficiosas.

El carburo de silicio puede diseñarse con diversas propiedades eléctricas en función de su método de procesamiento y su poliotipo. La conductividad eléctrica (CE) puede modificarse mediante el dopaje con aceptores de nitrógeno o aumentando su temperatura de sinterización; además, la composición del polvo de partida influye en sus propiedades eléctricas, y los niveles de dopaje durante la sinterización pueden alterar su valor de CE; para mejorarla aún más, la CE del carburo de silicio poroso también debe ajustarse durante la sinterización aumentando los niveles de dopaje o añadiendo partículas de carbono durante el procesamiento.