Hva er silisiumkarbids elektriske egenskaper?

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt hardt materiale som ligger på 9 på Mohs’ skala – sammenlignbart med diamant. Det har lav termisk utvidelseskoeffisient og enestående kjemisk og varmebestandighet, i tillegg til overlegen styrke og høy temperaturbestandighet. SiC har også enestående slitestyrke.

På grunn av sin krystallstruktur danner grafen polymorfer med ulike stablingssekvenser – eller polytyper – som gir opphav til en rekke interessante elektriske egenskaper.

Seebeck-koeffisienten

Seebeck-koeffisienten til et materiale er et mål på dets termoelektriske spenning som respons på temperaturforskjeller på tvers av materialet, og som genereres av ladningsbærere som elektroner eller elektronhull i materialets matrise. Fortegnet avhenger av hvilken form som dominerer – enten positivt eller negativt, avhengig av hvilken type ladningsbærer som dominerer i det aktuelle tilfellet. Når verdien øker, øker også den termoelektriske strømproduksjonen.

Seebeck-koeffisienten kan måles ved å koble to ulike materialer til et voltmeter og måle utgangsspenningen. Denne spenningen vil avhenge av materialenes relative Seebeck-koeffisienter samt en konstant verdi kjent som platina (Pt). Forholdet mellom den målte spenningen og de tilhørende Seebeck-koeffisientene kalles termoelektrisk effekt.

Hvis man ønsker å øke Seebeck-koeffisienten til en forbindelse, må det metalliske miljøet rundt den tilpasses slik at bærerkonsentrasjonen blir så høy som mulig. En effektiv metode er å dotere den med sjeldne jordartsmetaller eller overgangsmetallatomer som Nb, Ti og Zn; i tillegg kan ionestråledotering også bidra til å øke den.

Seebeck-koeffisienten til materialer kan enkelt beregnes ved hjelp av en enkel formel, angitt som S/(D+r). F, eller Fermi-integralet, kan deretter beregnes ved hjelp av MATLAB-programvaren og gir et nøyaktig resultat for de fleste faste stoffer ved brukbare temperaturer; verdiene vil imidlertid variere fra materiale til materiale.

Den optimale Seebeck-koeffisienten varierer avhengig av halvledertypen. For eksempel har p-type halvledere vanligvis mye høyere Seebeck-koeffisienter enn n-type halvledere, fordi det finnes flere frie elektroner som er aktive i ledningsbåndet deres sammenlignet med n-type halvledere.

Urenheter endrer ikke bare materialenes Seebeck-koeffisient, men kan også påvirke deres elektriske egenskaper og endre energibåndene ved å skape resonanser; dette kan føre til en asymmetrisk båndstruktur eller endre energigapet.

Resistivitet

Silisiumkarbid i sin reneste form fungerer som en elektrisk isolator og hindrer elektroner i å strømme. Det blir først en halvleder når det tilsettes urenheter i krystallstrukturen gjennom doping – dette gjør at ladningsbærere kan bevege seg fritt, noe som reduserer resistiviteten betydelig og senker den ytterligere etter hvert som dopingnivået øker. Når dopingsnivået øker, har motstanden en tendens til å reduseres.

Doping gjør at flere elektroner og hull blir tilgjengelige i materialet, noe som forbedrer strømmen og dermed gir materialet høyere elektrisk ledningsevne. I fysikken defineres materialers spesifikke elektriske resistivitet som motstanden ganget med lengden og delt på tverrsnittsarealet – og måleenheten for resistivitet er ohm.

Ohms lov er logaritmisk; derfor er formelen for å beregne den elektriske resistiviteten til en hvilken som helst prøve R = (R + log(r)/log(l)), der måleenhetene inkluderer ohmsekunder og meter. Resistiviteten spiller en sentral rolle i både kraftdistribusjonssystemer og jordingsmetoder, og bidrar til å bestemme deres effektivitet og virkningsgrad.

Siden silisiumkarbids spesifikke elektriske motstand avhenger av strukturen, er det avgjørende at vi forstår hvilke faktorer som påvirker den. Det er også verdt å merke seg at motstanden er lavere sammenlignet med vanlige metall- eller keramiske materialer; man må også huske på at motstandsnivåene kan variere med temperaturen og mellom ulike typer silisiumkarbidprøver.

Den lave elektriske resistiviteten til porøst silisiumkarbid gjør det til et utmerket materialvalg for EDM-applikasjoner (Electrical Discharge Machining), takket være både den lave tettheten og den jevne, lave elektriske resistiviteten, som sikrer effektiv EDM-bearbeiding uten å skade materialet eller sløse med energi. Kontakt Calix Ceramic Solutions nå hvis du ønsker mer informasjon om vårt sintrede, porøse SiC med lav elektrisk resistivitet. Vårt team vil gjerne svare på alle spørsmål du måtte ha! Calix Ceramic Solutions er svært stolte av å kunne tilby sintrede produkter av høy kvalitet, inkludert EDM-materialer, som en del av vårt sortiment av sintrede produkter av høy kvalitet!

Båndgap

Silisiumkarbid er et halvledermateriale med et energigap på omtrent 3,26 eV, som skiller nivåene for frie elektroner og hull fra hverandre for å hindre at de møtes og danner ioner som ville forstyrre strømmen. Takket være dette brede energigapet kan elektronikk laget av silisiumkarbid fungere ved høyere spenninger, temperaturer og frekvenser enn silisiumkomponenter.

Takket være silisiumkarbids halvlederegenskaper kan det brukes i miljøer med høye temperaturer og høy slitasje, noe som gjør det egnet til bilbremser, koblinger, keramiske plater i skuddsikre vester og skuddsikre vester. I tillegg gjør dets motstandsdyktighet mot oksidasjon det til en viktig bestanddel i ildfaste materialer som tåler høye temperaturer.

Silisiumkarbid leder ikke strøm på samme måte som metaller, men dets elektriske egenskaper kan likevel justeres ved hjelp av doping. Doping innebærer å tilsette urenheter i krystallstrukturen for å øke antallet frie ladningsbærere (elektroner eller hull) i materialet, og dermed øke dets ledningsevne og ledningskapasitet. Doping er en utbredt praksis i halvlederindustrien for å kontrollere materialers elektriske egenskaper.

Silisiumkarbids elektriske egenskaper og høye varmeledningsevne har gjort det til en uunnværlig komponent innen kraftelektronikk. IGBT-er og bipolare transistorer var blant de første krafthalvlederne som tok i bruk silisiumkarbid, på grunn av dets lavere innkoblingsmotstand sammenlignet med silisiumbaserte alternativer, samtidig som det tåler høyere gjennomslagsspenninger.

I takt med den teknologiske utviklingen finner silisiumkarbid stadig nye anvendelsesområder. For eksempel har dets lave termiske utvidelse og høye hardhet gjort det ideelt som materiale for speil i astronomiske teleskoper; dessuten er det produsert lette, men likevel robuste delsystemer til romfartøy av dette materialet, som har tålt forholdene i verdensrommet uten problemer.

Silisiumkarbids fysiske og elektroniske egenskaper revolusjonerer kraftelektronikken for høyeffektsapplikasjoner. SiC-baserte komponenter tåler både høye temperaturer og høy spenning, noe som er avgjørende i applikasjoner med elektriske motorer. Videre bidrar de reduserte koblingstapene og den lavere varmeutviklingen til å øke effektiviteten, noe som igjen øker den samlede virkningsgraden. I tillegg er SiC-komponenter mindre utsatt for elektromagnetisk interferens (EMI), noe som gjør dem egnet for høyfrekvente omformere.

Termisk konduktivitet

Varmeledningsevne er en egenskap ved materialer som angir hvor mye varme som overføres gjennom en overflate i løpet av én tidsenhet. Silisiumkarbid har en enestående varmeledningsevne, noe som gjør det egnet for bruksområder som krever effektiv varmeavledning. Faktisk overgår varmeledningsevnen til silisiumkarbid til og med kobberets, og er omtrent tre ganger bedre enn ren silisium.

Silisiumkarbid, en krystallinsk forbindelse bestående av silisium og karbon, har lenge vært ansett som et uunnværlig industrimateriale innen en rekke felt. Takket være sin mekaniske robusthet, elektriske egenskaper og termiske stabilitet fungerer silisiumkarbid som et ideelt alternativ til mange materialer i ulike anvendelser – særlig innen elektronikk, hvor det brede båndgapet gjør at det tåler mye høyere spenninger og frekvenser enn tradisjonelle silisiumbaserte halvlederkomponenter.

Amerikaneren Edward C. Acheson skapte overskrifter i 1891 da han brukte elektrisk varme fra et kraftverk til å tilføre karbon til leire, og dermed fremstille sekskantede krystaller som var harde nok til å ripe opp glass. Han kalte dem «carborundum», men det var egentlig krystaller av silisiumkarbid. Achesons oppfinnelse revolusjonerte produksjonen av lysdioder (LED-er), detektorer i de første radioene, bilbremser og -koblinger, keramiske plater til skuddsikre vester og slitesterke ildfaste materialer.

Polykarbonatets fysiske robusthet og lave permeabilitet gjør det til en utmerket erstatning for stål i bruksområder som krever slitestyrke, for eksempel sliteplater. Videre gjør dets motstandsdyktighet mot oksidasjon og temperaturstabilitet det egnet for krevende miljøer innen bil- og luftfartsindustrien, mens dets kjemiske inertitet gjør det motstandsdyktig mot korrosjon fra sterke kjemikalier.

Silisiumkarbids utmerkede varmeledningsevne gjør det til et utmerket materialvalg for bruksområder som krever effektiv varmeoverføring, for eksempel elektriske ovner og induksjonsoppvarmingsutstyr. Videre bidrar dets lave termiske utvidelseskoeffisient til å opprettholde den strukturelle integriteten selv ved høye temperaturer.

Selv om rent silisiumkarbid opptrer som en isolator, kan tilsetning av kontrollerte urenheter som aluminium gi det halvledende egenskaper. Ved å tilsette aluminium får man for eksempel p-type SiC, mens tilsetning av oksygen gir n-type SiC – disse urenhetstypene kan innføres ved hjelp av ulike metoder, blant annet ionimplantering og kjemisk dotering. SiC velges ofte som grunnmateriale i høytytende halvlederkomponenter som IGBT-er og bipolare transistorer på grunn av dets betydelig høyere gjennomslagsspenninger og frekvenser sammenlignet med andre silisiumbaserte halvledere.