Elektrické vlastnosti karbidu kremíka

Karbid kremíka je polovodičový materiál, ktorého vlastnosti sa pohybujú medzi vlastnosťami kovov a izolantov. Vlastnosti izolantov závisia od faktorov, ako sú teplota a nečistoty prítomné v jeho kryštálovej štruktúre; pokiaľ ide o vlastnosti polovodiča, aj tie závisia od týchto premenných.

Edward Goodrich Acheson prvýkrát vyrobil SiC v roku 1891, keď sa pokúšal vyrobiť umelé diamanty pomocou elektrického prúdu prechádzajúceho ílom s použitím uhlíkovej tyčinky. Výsledný materiál nazval karborund.

Napätie Odpor

Karbid kremíka (SiC) je mimoriadne odolný polovodičový materiál s neuveriteľnými vlastnosťami v oblasti elektrickej vodivosti. Vďaka schopnosti zvládnuť vyššie napätia a prúdy aj pri vyšších teplotách než kremík je SiC ideálny pre aplikácie, ako je napríklad výkonová elektronika. Okrem toho mu širšia šírka zakázaného pásma umožňuje viesť prúd pri vyšších frekvenciách so zníženým odporom v porovnaní s inými polovodičovými materiálmi.

Elektrické vlastnosti SiC závisia od jeho zložiek a výrobného procesu, pričom rôzne prísady výrazne menia jeho elektrický odpor v závislosti od spôsobu, akým boli pridané do jeho zloženia. Oxidy a nitridy sa napríklad zaraďujú medzi prísady druhej fázy, zatiaľ čo nečistoty ako fosfor alebo dusík môžu pôsobiť ako donorové alebo akceptorové nečistoty, ktoré zvyšujú elektrický odpor.

Karbid kremíka sa od ostatných polovodičov odlišuje tým, že v neupravenom stave pôsobí ako elektrický izolátor. Dopovaním sa však dá premeniť na materiál vedúci elektrický prúd pridaním špecifických nečistôt, známych ako dopanty, ako sú hliník, bór a gálium pre polovodiče typu p alebo dusík a fosfor pre polovodiče typu n.

Kremík je v súčasnosti dominantným polovodičom, avšak jeho schopnosti v oblasti vysokovýkonnej elektroniky začínajú byť spochybňované. Karbid kremíka ponúka energeticky úspornejší spôsob vedenia prúdu, keďže dokáže efektívnejšie zvládnuť vyššie teploty a napätia ako kremík. Okrem toho jeho širšia šírka zakázaného pásma umožňuje dosahovať vyššie rýchlosti, čo prispieva k zmenšeniu rozmerov zariadení.

Kremík má širokú šírku zakázaného pásma, čo znamená, že z neho možno vyrobiť lepší vodič znížením odporu driftovej vrstvy, čo vedie k stratám prúdu pri vypnutí, čím sa dosiahnu kratšie doby spínania a znížia sa straty v zariadeniach výkonovej elektroniky.

Karbid kremíka sa prirodzene vyskytuje v drahokamoch typu moissanit; pri jeho výrobe sa však zvyčajne využíva zložitý proces, ktorý vynájdený Edwardom G. Achesonom v roku 1891. Ten spočíva v zmiešaní čistého kremičitého (SiO₂) kremenného piesku s mletým ropným koksom v elektrickej odporovej peci a jeho zahriatí na vysokú teplotu, čím dôjde k chemickej reakcii vedúcej k vzniku karbidu kremíka; dnes sa táto technika stala bežným spôsobom výroby priemyselných brúsnych materiálov, hutníckych materiálov a žiaruvzdorných materiálov.

Aktuálna vodivosť

Vodivosť sa vyskytuje všade – od kovov, ako je striebro, cez plasty, ako je guma a gumovo-gumové kompozity, gumu a suché drevo, až po diamanty, avšak jej charakteristickým znakom zostáva pohyb elektrónov. Polovodiče využívajú na zabezpečenie vodivosti svoje vonkajšie orbitálne elektróny. Karbid kremíka má mimoriadne vysokú elektrickú vodivosť vďaka atómovej štruktúre, v ktorej valenčné elektróny nenarážajú na žiadny odpor, ktorý by bránil toku elektrónov; v dôsledku toho ponúka extrémne vysokú elektrickú vodivosť.

Karbid kremíka (SiC) je mimoriadne odolná chemická zlúčenina pozostávajúca z uhlíka a kremíka s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou a vlastnosťami polovodiča s širokou šírkou zakázaného pásma, ktorá je známa hodnotou 3,26 eV v porovnaní s 1,67 eV u kremíka. SiC je preto výnimočným vodičom elektriny a vďaka tomu aj vynikajúcim materiálom na prenos elektriny.

Odolnosť karbidu kremíka voči vysokým teplotám, nízke úrovne žiarenia a schopnosť odolávať podmienkam vo vesmíre z neho robia atraktívny materiál pre použitie v rôznych aplikáciách. Okrem toho jeho izolačné vlastnosti umožňujú znížiť rozmery aj hmotnosť elektronických zariadení a zároveň zvýšiť ich spoľahlivosť.

Vynikajúca elektrická vodivosť karbidu kremíka chráni zariadenia pred vonkajšími vplyvmi, čím zvyšuje ich účinnosť a zároveň ich chráni pred poškodením spôsobeným vonkajšími vplyvmi. Okrem toho je vďaka svojej odolnosti voči vysokým napätiam vynikajúcim riešením pre aplikácie v oblasti prenosu energie, ako sú napríklad nadzemné elektrické vedenia.

Karbid kremíka je možné vyrábať v rôznych polytypoch s odlišnými vlastnosťami. Tri z týchto polytypov, 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC, sa bežne používajú v elektronike vďaka svojej vynikajúcej pohyblivosti elektrónov a teplotnej odolnosti; 4H-SiC má kubickú kryštálovú štruktúru, zatiaľ čo 3C-SiC vykazuje tetraedrálnu kryštálovú štruktúru.

Polytypy SiC majú podobnú vnútornú mikrostruktúru, avšak ich atómy sú usporiadané odlišne, čo vedie k rôznym elektrickým vlastnostiam. Tento rozdiel vyplýva z odlišností v koordinácii atómov uhlíka a kremíka v kryštálovej mriežke; tento jav sa nazýva polytypizmus (viac informácií o kryštalografii a polytypizme SiC nájdete v práci Powell et al. 1993).

Elektrická vodivosť karbidu kremíka sa mení priamo úmerne s dĺžkou a je nepriamo úmerná prierezu; meria sa v siemensoch na meter (S/m). Na výpočet vodivosti akejkoľvek vzorky budete potrebovať merania napätia, prúdu a dĺžky, pričom ako vodítko poslúži Ohmov zákon: VIR = IjR = IR/R a S/I

Odolnosť voči teplu

Karbid kremíka, bežnejšie známy ako karborund, je neoxidová keramika s jedinečnými fyzikálnymi vlastnosťami, vďaka ktorým nachádza uplatnenie v priemyselných odvetviach, kde sa vyžaduje vysoká tepelná odolnosť a odolnosť voči tepelným šokom. Vďaka svojej výnimočnej pevnosti, tvrdosti, tepelnej stabilite a odolnosti proti opotrebeniu sa už dlho používa v produktoch, ako sú brúsne zrná, diely odolné proti opotrebeniu, žiaruvzdorné materiály a keramika; okrem toho ponúka oproti kremíkovým polovodičom množstvo výhod, vrátane vyššieho prierazného napätia a vynikajúcej tepelnej vodivosti.

SiC je charakterizovaný svojím chemickým zložením, ktoré ovplyvňuje jeho elektrické a tepelné vlastnosti. Na prvý pohľad sa SiC správa ako elektrický izolant; pri starostlivom dopovaní (kontrolovanom vnášaní nečistôt) sa však dá využiť jeho polovodičová vlastnosť. Dopovanie sa bežne využíva pri výrobe polovodičov, pretože umožňuje vznik voľných nosičov náboja (elektrónov alebo dier), ktoré zvyšujú vodivosť materiálu.

Karbid kremíka v čistej forme má hustotu približne 3 kg/cm³. Jeho merná tepelná kapacita 750 J/kg*K naznačuje, že na zvýšenie teploty o jeden kelvin je potrebné značné množstvo energie; vďaka tomu je SiC vynikajúcou voľbou pre použitie v prostrediach, ktoré vyžadujú tepelnú stabilitu.

Špeciálna mriežková štruktúra karbidu kremíka pozostáva z kovalentných väzieb medzi atómami uhlíka usporiadanými do tetraédrov a atómami kremíka, čím vzniká hustá mriežka. Táto hustá mriežka mu dodáva výnimočnú pevnosť, tvrdosť, nízku zmršťovateľnosť pri spekaní, chemickú inertnosť a tepelnú rozťažnosť; odolnosť voči oxidácii je ďalej zvýšená vďaka vysokej tepelnej vodivosti a vyšším atómovým číslam.

Spečovanie karbidu kremíka prebieha podobným procesom ako v prípade karbidu volfrámu, pričom sa v peci kombinujú uhlíkový a dusíkový plyn na ohrev zospodu aj zhora, čím vzniká metastabilná zmes karbidu a oxidu kremičitého, ktorá následne prechádza tlakovým spracovaním a rýchlym ochladením, než sa z nej stane konečný produkt. Spoločnosť Littelfuse vyrába čipy z karbidu kremíka určené na použitie v rôznych elektronických zariadeniach, ktoré využívajú ich vynikajúce prierazné napätie, nižší odpor na jednotku plochy a väčšiu odolnosť voči vysokým teplotám a napätiam.

Tepelná vodivosť

Karbid kremíka (často skrátene označovaný ako “SiC”) je synteticky vyrábaná kryštalická zlúčenina kremíka a uhlíka s chemickým vzorcom SiC. Vďaka svojim vlastnostiam, ktoré ho charakterizujú ako keramický aj polovodičový materiál, je SiC vhodný pre použitie v aplikáciách s vysokým napätím a teplotami, ako sú brúsne kotúče a rezné nástroje vyžadujúce vysokú abrazívnosť; vďaka svojej odolnosti proti opotrebeniu je tiež neoceniteľný v priemyselných prostrediach, napríklad pri výstelkách pecí, opotrebovateľných častiach čerpadiel a raketových motorov, ako aj pri polovodičových substrátoch pre svetelné diódy (LED).

Objav moissanitu, mimoriadne vzácneho prírodného minerálu, ktorého autorom bol Edward G. Acheson v roku 1893, inšpiroval vznik modernej metódy výroby karbidu kremíka používaného v brúsnych, hutníckych a žiaruvzdorných aplikáciách. Acheson vyvinul postup na jeho syntézu pomocou kremičitého piesku redukovaného uhlíkom v elektrickej peci; tento postup sa stal priekopníckym príkladom toho, čo sa odvtedy stalo prevládajúcou metódou.

Výroba SiC spočíva v zmiešaní čistého kremičitého piesku s uhlíkom vo forme koksu v elektrickej odporovej peci a v prechode elektrického prúdu cez jej vodič, čím sa vyvolá chemická reakcia medzi uhlíkom v kokse a kremíkom v piesku, v dôsledku čoho vzniká SiC. Celý proces môže trvať až niekoľko dní, zvyčajne sa však vykonáva nepretržite pri teplote 2 700 °C.

Tepelná vodivosť karbidu kremíka je daná jednak jeho mriežkovou štruktúrou, jednak koncentráciou elektrónov; jej zlepšenie sa dosahuje pridaním bóru, ktorý znižuje energiu mriežky, a dopovaním buď dopantmi typu n, alebo typu p s cieľom zmeniť vodivosť.

SiC má vynikajúce elektrické vlastnosti aj pri veľmi vysokých teplotách, vrátane vyššej odolnosti voči napätiu ako bežný kremík a lepších výkonových parametrov v systémoch vyžadujúcich vysokonapäťové komponenty v porovnaní s nitridom gália. Vďaka tomu je SiC ideálnym materiálom pre použitie v elektrických vozidlách, kde je potrebné splniť požiadavky na vysoké napätie.