Propiedades eléctricas del carburo de silicio

El carburo de silicio es un material semiconductor con propiedades intermedias entre los metales y los aislantes. Estos últimos dependen de factores como la temperatura y las impurezas presentes en su estructura cristalina; en cuanto a los primeros, las propiedades eléctricas dependen también de estas variables.

Edward Goodrich Acheson creó el SiC por primera vez en 1891 mientras intentaba producir diamantes artificiales utilizando una corriente eléctrica a través de arcilla con una varilla de carbono. Bautizó el material resultante como carborundo.

Tensión Resistencia

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor extremadamente duradero con increíbles propiedades de conductividad eléctrica. Capaz de gestionar tensiones y corrientes más altas incluso a temperaturas más elevadas que el silicio, el SiC es ideal para aplicaciones como la electrónica de potencia. Además, su banda prohibida más ancha le permite conducir a frecuencias más altas con una resistencia reducida en comparación con otros materiales semiconductores.

Las propiedades eléctricas del SiC dependen de sus componentes y del proceso de fabricación, y los distintos aditivos alteran significativamente su resistividad eléctrica en función de cómo se hayan añadido a su composición. Los óxidos y nitruros, por ejemplo, se clasifican como aditivos de segunda fase, mientras que las impurezas como el fósforo o el nitrógeno pueden actuar como impurezas donantes o aceptoras que aumentan la resistividad eléctrica.

El carburo de silicio se distingue de los demás semiconductores en que su estado no modificado actúa como aislante eléctrico. Sin embargo, el dopaje puede convertirlo en conductor de electricidad mediante la adición de impurezas específicas conocidas como dopantes, como aluminio, boro y galio para aplicaciones semiconductoras de tipo p, o nitrógeno y fósforo para las de tipo n.

El silicio es actualmente el semiconductor dominante, pero sus capacidades en electrónica de alta potencia están empezando a ponerse en entredicho. El carburo de silicio ofrece un método de conducción de corriente más eficiente desde el punto de vista energético, ya que puede soportar temperaturas y voltajes más elevados que el silicio. Además, su banda prohibida más ancha puede facilitar velocidades más rápidas, lo que ayuda a reducir el tamaño de los dispositivos.

El silicio tiene una banda prohibida ancha, lo que significa que puede convertirse en un conductor mejorado reduciendo la resistencia de su capa de deriva, lo que provoca una pérdida de corriente al apagarse, acortando los tiempos de conmutación y reduciendo las pérdidas en los dispositivos electrónicos de potencia.

El carburo de silicio puede encontrarse de forma natural en las gemas moissanita; sin embargo, para su producción se suele utilizar un elaborado proceso inventado por Edward G. Acheson en 1891. Consiste en mezclar arena de cuarzo de sílice pura (SiO2) con coque de petróleo molido en un horno eléctrico de resistencia y calentarlo a alta temperatura para provocar una reacción química que produce carburo de silicio; hoy en día, esta técnica se ha convertido en la forma más utilizada para crear abrasivos, materiales metalúrgicos y refractarios de calidad industrial.

Conductividad de la corriente

La conductividad puede encontrarse en todas partes, desde metales como la plata y plásticos como el caucho y sus compuestos, la goma y la madera seca hasta los diamantes, pero su característica distintiva sigue siendo el movimiento de los electrones. Los semiconductores utilizan sus electrones orbitales exteriores para la conductividad. El carburo de silicio tiene una conductividad eléctrica excepcionalmente alta gracias a una estructura atómica sin resistencia para que sus electrones de valencia resistan este flujo de electrones; en consecuencia, ofrece una conductividad eléctrica extremadamente alta.

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico extremadamente robusto, formado por carbono y silicio, con estructura cristalina hexagonal y propiedades semiconductoras de amplio intervalo de bandas, conocido por su intervalo de bandas de 3,26 eV frente a los 1,67 eV del silicio. Como tal, el SiC es un conductor excepcional de la electricidad y, por tanto, un excelente conductor para la transmisión de electricidad.

La resistencia del carburo de silicio a las altas temperaturas, los bajos niveles de radiación y su capacidad para soportar entornos espaciales lo convierten en un material atractivo para su uso en diversas aplicaciones. Además, sus propiedades aislantes permiten reducir el tamaño y el peso de los dispositivos electrónicos al tiempo que aumentan su fiabilidad.

La excelente conductividad eléctrica del carburo de silicio protege los dispositivos de las influencias externas, aumentando su eficacia y protegiéndolos al mismo tiempo de los daños provocados por influencias externas. Además, su capacidad para soportar altas tensiones lo convierte en una solución excelente para aplicaciones de transmisión de energía, como las líneas eléctricas aéreas.

El carburo de silicio puede fabricarse en varios politípos con características distintas. Tres de ellos, el 3C-SiC, el 4H-SiC y el 6H-SiC, se utilizan habitualmente en aplicaciones electrónicas debido a su excelente movilidad de electrones y tolerancia a la temperatura; el 4H-SiC tiene una estructura cristalina cúbica, mientras que el 3C-SiC presenta una formación cristalina tetraédrica.

Los politípos de SiC comparten microestructuras internas similares, pero sus átomos están colocados de forma distinta, lo que da lugar a propiedades eléctricas diferentes. Esta diferencia se debe a las diferencias de coordinación de los átomos de carbono y silicio dentro de una red cristalina; este fenómeno se conoce como politipismo (para más información sobre la cristalografía y el politipismo del SiC, véase Powell et al. 1993).

La conductividad eléctrica del carburo de silicio varía directamente con la longitud medida sobre y es inversamente proporcional al área de la sección transversal, midiéndose en siemens por metro (S/m). Para calcular la conductividad de cualquier muestra se necesitan mediciones de tensión, corriente, longitud y la ley de Ohm como guía: VIR=IjR =IR/R y S/I

Resistencia al calor

El carburo de silicio, más comúnmente conocido como carborundo, es una cerámica no oxidada con propiedades físicas únicas que lo hacen útil en entornos industriales que requieren una gran resistencia al calor y al choque térmico. Debido a su excepcional resistencia, dureza, estabilidad térmica y resistencia al desgaste, se utiliza desde hace mucho tiempo en productos como granos abrasivos, piezas resistentes al desgaste, refractarios y cerámicas; además, ofrece numerosas ventajas sobre los semiconductores de silicio, como una mayor tensión de ruptura y una conductividad térmica superior.

El SiC se define por su composición química, que afecta a sus propiedades eléctricas y térmicas. Al principio, el SiC actúa como un aislante eléctrico; sin embargo, con un dopaje cuidadoso (la introducción controlada de impurezas), se puede liberar su semiconductividad. El dopaje se emplea habitualmente en la producción de semiconductores, ya que permite la formación de portadores de carga libres (electrones o huecos) que aumentan la conductividad del material.

El carburo de silicio en estado puro tiene una densidad aproximada de 3 kg/cm3. Su índice de calor específico de 750 J/kg*K indica que se necesita una energía considerable para elevar la temperatura un grado Kelvin, lo que convierte al carburo de silicio en un excelente candidato para su uso en entornos que requieren estabilidad térmica.

La estructura reticular especial del carburo de silicio consiste en enlaces covalentes entre los átomos de carbono tetraédricos y los átomos de silicio, creando un entramado muy compacto. Este empaquetamiento estrecho le confiere una resistencia, dureza, baja contracción por sinterización, inercia y expansión térmica excepcionales; además, mejora la resistencia a la oxidación gracias a su alta conductividad térmica y su mayor número atómico.

La sinterización del carburo de silicio sigue un proceso similar al utilizado para el carburo de wolframio, utilizando gases de carbono y nitrógeno combinados en un horno para calentar desde abajo y desde arriba, produciendo una mezcla metaestable de carburo y sílice que luego se somete a presión y a un enfriamiento rápido antes de convertirse en el producto final. Littelfuse fabrica matrices de carburo de silicio para su uso en diversos dispositivos electrónicos que se benefician de su superior tensión de ruptura, menor resistencia por unidad de superficie y mayor capacidad para soportar altas temperaturas y tensiones.

Conductividad térmica

El carburo de silicio (a menudo abreviado como “SiC”) es un compuesto cristalino de silicio y carbono producido sintéticamente con la fórmula química SiC. Como material cerámico y semiconductor, las propiedades del carburo de silicio lo hacen adecuado para aplicaciones a altas tensiones y temperaturas, como muelas abrasivas y herramientas de corte que requieren gran abrasividad; su resistencia al desgaste también lo hace inestimable en entornos industriales, como revestimientos de hornos, piezas de desgaste de bombas y motores de cohetes y sustratos semiconductores para diodos emisores de luz (LED).

El descubrimiento por Edward G. Acheson en 1893 de la moissanita, un mineral natural extremadamente raro, inspiró un método moderno para crear carburo de silicio utilizado en aplicaciones abrasivas, metalúrgicas y refractarias. Acheson ideó un proceso para sintetizarlo utilizando arena de sílice reducida con carbono en un horno eléctrico; éste se convirtió en el ejemplo pionero de lo que desde entonces se ha convertido en el método predominante.

La fabricación de SiC consiste en mezclar arena de sílice pura con carbono en forma de coque en un horno de resistencia eléctrica y hacer pasar una corriente eléctrica a través de su conductor para provocar una reacción química entre el carbono del coque y el silicio de la arena que produce SiC. El proceso completo puede durar varios días, pero normalmente se realiza de forma continua a una temperatura de 2.700 grados centígrados.

La conductividad térmica del carburo de silicio viene determinada tanto por su estructura reticular como por la concentración de electrones, y se mejora añadiendo boro, que disminuye la energía reticular, y dopándolo con dopantes de tipo n o de tipo p para alterar la conductividad.

El SiC posee excelentes características eléctricas incluso a temperaturas muy elevadas, incluida una mayor resistencia a la tensión que el silicio ordinario y un rendimiento superior al del nitruro de galio en sistemas que requieren componentes de alta tensión. Por ello, el SiC es ideal para aplicaciones de vehículos eléctricos que requieren alta tensión.