El carburo de silicio impulsa una revolución en la electrónica de potencia

El SiC tiene una banda prohibida expansiva que permite a los sistemas de alimentación funcionar a temperaturas, tensiones y frecuencias más altas sin incurrir en costes adicionales de la lista de materiales, lo que se traduce en una reducción de los costes generales y en dispositivos más eficientes y pequeños.

Hasta 1929, año en que se desarrolló el carburo de boro, el carburo de silicio era el material sintético más duro conocido, con una dureza Mohs de 9, comparable a la del diamante.

Propiedades físicas

Las extraordinarias propiedades físicas y eléctricas del carburo de silicio están provocando una revolución sin precedentes en la electrónica de potencia. Como semiconductor de banda prohibida ancha, ofrece la posibilidad de fabricar componentes electrónicos más pequeños, rápidos y fiables, capaces de soportar temperaturas, tensiones y frecuencias más elevadas que sus homólogos de silicio.

Los sistemas solares dependen en gran medida de la reflectividad para lograr su elevada longevidad, necesaria para funcionar de forma continua durante años. La reflectividad también se utiliza como material estructural en chalecos antibalas y blindajes compuestos, así como en piezas de automoción (discos de freno), pararrayos, abrasivos y materiales para espejos de observatorios.

El carburo de silicio, descubierto por primera vez como mineral moissanita en 1893 durante la explosión del meteorito Canyon Diablo en Arizona, fue sintetizado por primera vez a pequeña escala por Edward Goodrich Acheson en 1891 y posteriormente por Henri Moissan mediante diversas técnicas. Hoy en día se produce fundiendo arena de sílice con fuentes de carbono, como el carbón, en crisoles de granito a alta temperatura hasta que se forman cristales que luego pueden depositarse en barras de grafito a temperaturas más bajas para producir carburo de silicio puro que permanece incoloro, pero las versiones industriales marrones o negras contienen impurezas de hierro, mientras que también puede doparse con nitrógeno o fósforo para crear un semiconductor de tipo n o aluminio, boro o galio para propiedades semiconductoras de tipo p.

Propiedades químicas

El carburo de silicio (SiC) se produce sintéticamente desde finales del siglo XIX y se utiliza ampliamente como material abrasivo en papeles de lija y muelas abrasivas. Sin embargo, recientemente se ha vuelto a utilizar como material tecnológico esencial por sus extraordinarias propiedades térmicas y eléctricas.

El SiC, compuesto por átomos de silicio y carbono enlazados en una red cristalina hexagonal, ofrece unas características físicas excepcionales: baja dilatación térmica, resistencia al choque térmico y propiedades semiconductoras de banda ancha que permiten a los electrones moverse más fácilmente entre sus átomos que con el silicio, lo que lo convierte en un material superior para aplicaciones electrónicas.

El SiC es insoluble en agua y alcohol, mientras que es soluble en álcalis fundidos y sales fundidas; su resistencia a la oxidación a altas temperaturas lo hace incombustible y tóxico libre de humos; sin embargo, la exposición a largo plazo puede provocar un agrandamiento progresivo de los pulmones provocando una fibrosis pulmonar progresiva que provoca un agrandamiento progresivo de los pulmones; ha sido catalogado por la IARC como posible carcinógeno humano.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio es uno de los materiales más ligeros y duros jamás conocidos. Resiste la abrasión, la erosión y la corrosión para un uso óptimo en plantas químicas, molinos, expansores y boquillas.

Este material es excepcionalmente duro, rígido, de baja expansión térmica y conserva su resistencia a temperaturas de hasta 1.400degC. Además, destaca entre los materiales cerámicos avanzados por su gran resistencia a ácidos y álcalis.

Las aplicaciones actuales del carburo de silicio sic para la electrónica de potencia son muy variadas y contribuye a acelerar la descarbonización al mejorar la eficiencia de los motores eléctricos, aumentando así las distancias de conducción y reduciendo al mismo tiempo el tamaño y el peso de los sistemas de gestión de baterías. El carburo de silicio sic también ofrece una calidad, fiabilidad y eficiencia excepcionales que hacen de su uso una alternativa atractiva a metales como el níquel.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio se ha generalizado en aplicaciones de electrónica de potencia y como sustituto de los dispositivos tradicionales de silicio debido a sus rápidos tiempos de conmutación y su mayor capacidad de tensión de bloqueo, junto con su amplia banda prohibida que permite a los circuitos electrónicos funcionar más rápidamente a temperaturas más elevadas sin dejar de ser más fiables que sus homólogos de silicio.

Las propiedades eléctricas del carburo de silicio sódico pueden alterarse dopándolo con impurezas. Los dopantes suelen ocupar sitios de red vacantes dentro de su estructura cristalina prístina; sus energías de activación varían en función del poliotipo.

Como resultado de su disposición atómica única entre los átomos de silicio y carbono en su estructura cristalina, cada tipo de SiC presenta características semiconductoras distintas. Como muestra la siguiente tabla, que contiene algunas de las principales propiedades eléctricas del SiC de 3C, 4H y 6H a temperatura ambiente; éstas dependen en gran medida de la dirección cristalográfica del flujo de corriente, así como de los campos eléctricos aplicados (es decir, no isótropos).