La conductivité du carbure de silicium

Le carbure de silicium est l'un des matériaux céramiques les plus légers et les plus durs. Il résiste facilement à la corrosion, à l'abrasion et à l'usure par frottement. En outre, ses propriétés semi-conductrices le rendent adapté aux applications à haute tension telles que l'électronique de puissance des véhicules électriques.

La conductivité du SiC peut être augmentée par dopage avec de l'azote ou du phosphore pour les semi-conducteurs de type n et avec de l'aluminium, du bore ou du gallium pour les semi-conducteurs de type p. En outre, il s'agit d'un matériau extrêmement conducteur sur le plan thermique.

Bande interdite

Le carbure de silicium (SiC) est un composé chimique à structure hexagonale solide qui possède des propriétés de semi-conducteur à large bande interdite. Cela fait du SiC un excellent candidat pour les dispositifs électroniques de puissance qui nécessitent des températures de fonctionnement plus élevées, des tensions de blocage plus élevées, des pertes de commutation plus faibles que les dispositifs en silicium et des bandes interdites plus larges pour permettre des conceptions plus minces qui augmentent la densité de puissance.

Le carbure de silicium peut être rendu électriquement conducteur en le dopant avec d'autres éléments, ce qui est une pratique courante dans l'industrie des semi-conducteurs. Le dopage augmente la conductivité, la résistance à la température et la précision de l'usinage - par exemple en ajoutant un dopant de type n tel que l'azote ou le phosphore, qui augmente la connectivité des électrons et des trous dans sa structure cristalline et donc la conductivité.

Une autre méthode pour augmenter la conductivité du carbure de silicium est le dopage, c'est-à-dire le processus d'ajout d'impuretés dans sa structure cristalline, afin d'augmenter la conductivité. Le dopage peut modifier des propriétés telles que la bande interdite et la conductivité thermique. Par exemple, le dopage avec un dopant de type n réduit la taille de sa bande interdite, de sorte que les électrons peuvent plus facilement la traverser pour atteindre les régions de sa bande interdite où la conductivité est améliorée, ce qui a pour effet d'augmenter la conductivité.

La bande interdite du carbure de silicium peut également être réduite en augmentant sa teneur en carbone ou en remplaçant certains atomes d'oxygène par de l'hydrogène, car le carbone a une faible énergie de liaison avec le silicium, tandis que l'énergie de liaison entre le silicium et l'oxygène est nettement plus élevée qu'entre le silicium et les atomes d'azote.

La bande interdite du carbure de silicium est trois fois plus grande que celle du silicium, ce qui en fait un excellent matériau pour les applications d'électronique de puissance. Sa large bande interdite lui permet de supporter des tensions et des fréquences de commutation beaucoup plus élevées que celles du silicium, ainsi que des températures élevées, ce qui est nécessaire dans de nombreux dispositifs électroniques.

Le carbure de silicium possède une conductivité électrique intrinsèque extrêmement élevée, qui peut être améliorée par le dopage avec des dopants de type n ou de type p. Il s'agit généralement d'un matériau dur et cassant aux teintes incolores. Les sources naturelles de SiC sont limitées : des gemmes de moissanite sont parfois découvertes, de même que de petites quantités dans les météorites et les gisements de corindon ; la plupart des SiC commerciaux sont fabriqués synthétiquement.

Conductivité thermique

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau indispensable dans les applications de l'électronique de puissance, de l'optoélectronique et de l'informatique quantique1. Les flux de chaleur localisés peuvent avoir un impact négatif sur leurs performances en augmentant rapidement les températures, ce qui rend essentielle une conductivité thermique élevée dans les systèmes électroniques à base de carbure de silicium.

Le carbure de silicium présente une conductivité thermique nettement supérieure à celle du cuivre, le métal le plus répandu. Cette supériorité peut être attribuée à la solidité des liaisons atomiques et à la structure du réseau cristallin du SiC. Toutefois, malgré cette conductivité thermique supérieure, sa capacité thermique spécifique est anormalement faible par rapport à d'autres matériaux : environ 170 J/Kg, soit la moitié de celle du cuivre.

Des études antérieures ont démontré que la conductivité thermique du carbure de silicium est fortement influencée par sa microstructure et la composition de ses phases, en particulier à basse température. Le libre parcours moyen des phonons dans le SiC désordonné est plus court que dans les phases ordonnées.

Récemment, nous avons mené des analyses approfondies sur la dépendance en fréquence de la conductivité thermique d'échantillons de SiC en vrac et en couches minces en utilisant des mesures de thermoréflexion transitoire. Nous avons observé que les échantillons de 3C-SiC désordonnés et purs présentaient des diminutions en fonction de la fréquence - cette tendance étant particulièrement forte pour les phonons de basse fréquence.

Ce phénomène peut s'expliquer par la plus forte diffusion des phonons de surface causée par les défauts de bore que par les lacunes, la suppression de la conductivité thermique jouant un rôle essentiel dans l'amélioration de la gestion thermique pour la microélectronique à base de SiC.

Le carbure de silicium, l'un des matériaux céramiques les plus légers et les plus durs, combine des atomes de carbone et de silicium en tétraèdres pour former un matériau ultra-dur et résilient qui résiste à la corrosion, à l'abrasion, à l'érosion et aux chocs électriques. Grâce à son module d'Young élevé et à ses faibles taux de dilatation thermique, il constitue un excellent matériau structurel. Utilisé à des températures allant jusqu'à 1600 degrés Celsius sans perte de résistance ou de rigidité et tolérant facilement les acides, les alcalis et les sels fondus, il est utilisé depuis longtemps dans les usines chimiques, les broyeurs et les dilatateurs - sans oublier les miroirs des télescopes astronomiques !

Conductivité électrique

La conductivité électrique du carbure de silicium varie en fonction de la température. À basse température, il se comporte comme un isolant et résiste au flux d'électricité ; mais à mesure que la température augmente, il commence à se comporter davantage comme un semi-conducteur et permet à l'électricité de passer plus facilement ; cela est dû au fait que sa bande interdite est plus large, ce qui permet à davantage d'électrons d'être excités et de se déplacer dans le matériau.

Le dopage du carbure de silicium peut aider à surmonter ses propriétés isolantes par l'ajout d'impuretés qui génèrent des porteurs de charge libres tels que des électrons et des trous, créant ainsi davantage de porteurs de charge libres tels que des électrons et des trous qui se déplacent librement au sein de sa structure cristalline. Le dopage avec de l'aluminium ou du gallium lui confère des propriétés de semi-conducteur de type P, tandis que l'ajout d'azote ou de phosphore lui confère des propriétés de semi-conducteur de type N.

La bande interdite supérieure du carbure de silicium lui permet d'être utilisé dans des applications nécessitant des tensions plus élevées, telles que les générateurs à haute tension et les transistors de puissance. Le carbure de silicium permet d'obtenir des tensions plus élevées parce que sa bande interdite est supérieure à celle d'autres matériaux semi-conducteurs, comme le silicium.

Il convient également de noter que la conductivité thermique du carbure de silicium varie en fonction de sa densité ; plus la densité augmente, plus la conductivité thermique augmente en raison de l'augmentation du mouvement des électrons libres dans sa structure, ce qui entraîne une plus grande dissipation de la chaleur par le biais des vibrations des phonons.

Le carbure de silicium présente naturellement de faibles conductivités thermique et électrique ; toutefois, sa conductivité peut être augmentée par l'ajout d'additifs tels que le carbone et le bore au cours du frittage. Le carbone peut modifier sa structure pour permettre à davantage d'électrons libres de s'y déplacer, tandis que l'ajout de bore peut augmenter son coefficient Seebeck et donc réduire l'énergie d'activation, ce qui permet d'améliorer encore la conductivité.

La conductivité électrique du carbure de silicium peut être exploitée davantage en l'utilisant comme élément de structures composites avec des métaux ou des céramiques, en particulier dans les réacteurs à fusion nucléaire où les composants structurels seront utilisés comme couvertures de métal liquide qui créent des champs magnétiques pour contenir le plasma. Une faible résistivité électrique et thermique est essentielle dans ces cas pour minimiser les effets magnétohydrodynamiques causés par l'écoulement du métal liquide sur et autour des structures composites.

Applications

La conductivité du carbure de silicium en fait un matériau indispensable dans diverses applications, depuis le remplacement des semi-conducteurs traditionnels jusqu'aux composants automobiles et aux blindages pare-balles. Par exemple, sa conductivité électrique lui permet de répondre à un certain nombre d'utilisations. La stabilité chimique du carbure de silicium le rend également extrêmement durable - idéal pour les environnements à haute température tels que les installations de fabrication de semi-conducteurs.

La conductivité du SiC est déterminée par sa bande interdite. Il s'agit de la différence d'énergie nécessaire aux électrons pour passer de la bande de valence à la bande de conduction, ou de la bande de valence à la bande de conduction. Les matériaux à large bande interdite sont considérés comme des semi-conducteurs, tandis que les matériaux à bande étroite sont des isolants. Le carbure de silicium pur agit comme un isolant, mais avec certaines impuretés, il peut présenter des propriétés semi-conductrices.

Le carbure de silicium peut être créé en le chauffant à de très hautes températures en présence de carbone. Edward C. Acheson a été le premier à utiliser cette technique en 1891 en infusant de l'argile avec du coke en poudre, en utilisant la chaleur électrique d'une lampe à arc et des radiateurs électriques, jusqu'à ce qu'il produise une substance verte et dure, suffisamment résistante pour rayer le verre, qu'il a appelée carborundum.

Le carbure de silicium est présent à l'état naturel dans des roches telles que la diorite et la moissanite, mais il peut aussi être produit de manière synthétique. Le matériau présente deux tétraèdres de coordination primaires composés de quatre atomes de carbone et de quatre atomes de silicium liés ensemble dans chaque tétraèdre ; ces tétraèdres s'empilent ensuite pour former des polytypes - le polytype alpha étant souvent trouvé avec des structures cristallines hexagonales similaires à la wurtzite, sa variante la plus fréquemment rencontrée.

Le dopage du carbure de silicium permet de le transformer en semi-conducteur de type p ou de type n par l'ajout de divers dopants tels que le bore et l'aluminium ; les dopants à l'azote et au phosphore le transforment en semi-conducteur de type n.

La spectrométrie de masse à décharge luminescente et la spectroscopie de fluorescence des rayons X sont deux techniques de masse populaires pour l'analyse du carbure de silicium ; une analyse plus précise peut impliquer la spectrométrie d'émission optique à plasma inductif ou la spectrométrie de masse à plasma inductif à ablation laser sur des échantillons solides ou des échantillons digérés ou lessivés.