Проводимость карбида кремния

Окамото и др. измерили проводимость карбида кремния при различных температурах и обнаружили, что небольшое количество добавки Si не увеличивает проводимость на два-три порядка, но превышение концентрации 5 моль% приводит к росту проводимости на три порядка.

Карбид кремния - полупроводниковый материал, способный переходить в состояние n-типа или p-типа путем легирования ионами алюминия, бора, галлия, фосфора или азота.

Электропроводность

Карбид кремния - это полупроводниковый материал, то есть он находится где-то между металлами (которые проводят электричество) и изоляторами (которые сопротивляются току). При низких температурах карбид кремния ведет себя скорее как изолятор, сопротивляясь потоку электрической энергии; но при высоких температурах он становится больше похож на проводник, пропуская через себя электрический ток. Поведение карбида кремния зависит как от температуры, так и от примесей: добавление алюминия, бора и галлия может привести к полупроводнику N-типа, а добавление азота или фосфора - к полупроводнику N-типа; дополнительное контролируемое легирование может привести к сверхпроводимости в этом материале.

SiC - электрически полупроводниковый материал с начальным сопротивлением от 105 до 107 Ом*см в чистом виде, хотя добавление электропроводящих вторых фаз может достаточно снизить это сопротивление для применения в нагревателях; общее сопротивление зависит от морфологии и условий обработки самого материала.

Коммерческий порошок SiC часто имеет нестехиометрический состав: он обычно содержит избыток алюминия и кремния. Хотя это не создает трудностей при спекании желаемых кристаллических структур, его присутствие упрощает эту задачу на воздухе из-за более низкого зазора b-SiC. Поскольку N2 обеспечивает большую устойчивость к этому процессу превращения, а также к легированию SiC, это может свести к минимуму эффекты N-допирования.

Теплопроводность

Карбид кремния (SiC) обладает выдающимися свойствами теплопроводности, что делает его одним из ключевых материалов в силовой электронике и оптоэлектронике1,2. К сожалению, высокий локализованный тепловой поток SiC-устройств делает управление тепловым режимом сложным, что приводит к перегреву устройств, снижающему их производительность и надежность, особенно для силовых устройств, работающих при температурах, превышающих условия окружающей среды. Таким образом, более глубокое понимание микроструктуры, фазового состава и теплопроводности SiC является ключевым для разработки материалов с еще более высокой теплопроводностью.

В рамках исследования влияния фазового состава, микроструктуры и структуры дефектов на теплопроводность SiC, порошок b-SiC субмикронного размера был уплотнен методом жидкофазного искрового плазменного спекания (L-SPS) с различными концентрациями Y2O3 и Yb2O3, для получения плотных образцов, содержащих до 20% графеновых нанопластинок (ГНП), благодаря одноосному давлению прессования в процессе L-SPS, что привело к преимущественному выравниванию ГНП перпендикулярно оси прессования и, таким образом, к увеличению теплопроводности в этом направлении; в то время как параллельное направление не показало улучшения теплопроводности.

Кроме того, для оценки атомно-масштабных структур дефектов в этих образцах b-SiC использовалась сканирующая просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HR-STEM), а также дифракция обратного рассеяния электронов. Не было замечено никакого влияния естественных дефектов, однако добавление Yb2O3 оказало гораздо большее влияние на теплопроводность, что, возможно, свидетельствует о формировании примесного уровня в ответ на избыточное содержание Yb2O3 в структуре решетки.

Химическая проводимость

Карбид кремния (SiC) - это необычное химическое соединение, состоящее из равных частей кремния и углерода, соединенных между собой прочными ковалентными связями, подобными алмазу, с твердостью 9 по шкале Мооса, что делает его чрезвычайно прочным и устойчивым к экстремальным температурам.

SiC известен своими полупроводниковыми свойствами с широкой полосой пропускания, что позволяет электронам свободно перемещаться по структуре материала и, таким образом, проводить электричество при нагревании; при более низких температурах, однако, его структура действует скорее как изолятор, сопротивляясь электрическому потоку.

Электрические и тепловые характеристики карбида кремния можно изменить путем добавления примесей. Легирование алюминием, бором и галлием создает полупроводник p-типа; легирование азотом и фосфором превращает его в полупроводник n-типа; эти изменения могут значительно повысить его электропроводность.

Из-за своей плотной структуры монокристаллический SiC не может в полной мере использовать преимущества своей превосходной теплопроводности в практических приложениях. Поликристаллическая керамика, полученная из коммерчески доступных порошков, часто демонстрирует более низкую теплопроводность в результате случайной ориентации зерен, несовершенства решетки и вторичных фаз с пониженной проводимостью на границах зерен.

Прежде чем вкладывать средства, необходимо убедиться, что желаемые свойства материала из карбида кремния могут быть удовлетворены. Кроме того, понимание его характеристик с течением времени может оказаться особенно важным в таких областях применения, как нагреватели, где срок службы может быть существенно ограничен из-за износа материала, который может значительно изменить его характеристики.

Термическая стабильность

Карбид кремния - это чрезвычайно прочное химическое соединение с гексагональной структурой, обладающее свойствами полупроводника с широкой полосой пропускания. Зазор между энергией высвобождения электрона и максимальной энергией валентной полосы почти в три раза больше, чем у кремния, что дает ему название материала с широкой полосой пропускания и делает его пригодным для силовой электроники и высоковольтных приложений, таких как системы управления батареями электромобилей.

Чистый SiC бесцветен, но в промышленном производстве он сочетается с фосфором, образуя карборунд - коричнево-черный порошок с радужным блеском, созданный из тонких слоев пассивирующих защитных кристаллов, что и дало название этому материалу. Сначала карборунд чаще всего использовался в качестве детекторных диодов в корабельных радиоприемниках, но сейчас его основное применение - в качестве твердых изоляторов, например, в режущих инструментах и тормозных колодках.

При комнатной температуре собственная электропроводность SiC n-типа составляет около 2 10-6 Ом-см. Однако его электропроводность может быть увеличена путем легирования азотом, фосфором или бериллием для получения материала p-типа, а также путем образования акцепторов бора на участках Si, что увеличивает как электропроводность, так и электрическое сопротивление.

Легирование может нарушить термическую стабильность SiC n-типа из-за выхода акцептированных электронов и дырок из решетки, создавая горячие точки в структуре материала.