Vodivosť karbidu kremíka

Karbid kremíka je jedným z najľahších a najtvrdších keramických materiálov, ktorý ľahko odoláva korózii, oderu a opotrebovaniu trením. Okrem toho je vďaka svojim polovodivým vlastnostiam vhodný na vysokonapäťové aplikácie, ako je výkonová elektronika v elektrických vozidlách.

Vodivosť SiC možno zvýšiť dopovaním dusíkom alebo fosforom pre polovodiče typu n a hliníkom, bórom alebo gáliom pre polovodiče typu p; okrem toho je to mimoriadne tepelne vodivý materiál.

Pásmová medzera

Karbid kremíka (SiC) je chemická zlúčenina so silnou hexagonálnou štruktúrou a širokou pásmovou medzerou medzi polovodičmi. Vďaka tomu je SiC vynikajúcim kandidátom na výkonové elektronické zariadenia, ktoré vyžadujú vyššie prevádzkové teploty, vyššie blokovacie napätia, nižšie spínacie straty ako kremíkové zariadenia a širšie pásové medzery, ktoré umožňujú tenšie konštrukcie zvyšujúce hustotu výkonu.

Karbid kremíka sa môže stať elektricky vodivým prostredníctvom jeho dopovania inými prvkami, čo je v polovodičovom priemysle obľúbený postup. Dopovanie zvyšuje vodivosť, teplotnú odolnosť a presnosť opracovania - napríklad pridaním dopantu typu n, ako je dusík alebo fosfor, ktorý zvyšuje spojitosť elektrónov a dier v kryštálovej štruktúre, a tým aj vodivosť.

Ďalšou metódou zvyšovania vodivosti karbidu kremíka je dopovanie, teda proces pridávania prímesí do jeho kryštálovej štruktúry s cieľom zvýšiť vodivosť. Dopovanie môže zmeniť vlastnosti, ako je pásová medzera a tepelná vodivosť. Napríklad dopovanie prímesou typu n zmenšuje veľkosť pásma, takže elektróny môžu ľahšie prechádzať cez pásmo do oblastí pásma zvyšujúcich vodivosť, čím sa zvyšuje vodivosť.

Pásmovú medzeru karbidu kremíka možno znížiť aj zvýšením obsahu uhlíka alebo nahradením niektorých atómov kyslíka vodíkom, pretože uhlík má nízku väzbovú energiu s kremíkom, zatiaľ čo väzbová energia medzi kremíkom a kyslíkom je výrazne vyššia ako medzi atómami kremíka a dusíka.

Pásmová medzera karbidu kremíka je trikrát väčšia ako u kremíka, čo z neho robí vynikajúci materiál pre aplikácie výkonovej elektroniky. Jeho široká pásmová medzera mu umožňuje odolávať oveľa vyšším spínacím napätiam a frekvenciám v porovnaní s kremíkom a tiež odolávať vysokým teplotám, ktoré sú potrebné v mnohých elektronických zariadeniach.

Karbid kremíka má extrémne vysokú vnútornú elektrickú vodivosť, ktorú možno zvýšiť dopovaním dopantmi typu n alebo p. Je to typický tvrdý a krehký materiál s bezfarebnými odtieňmi. Prírodné zdroje SiC sú obmedzené: občas sa objavujú drahokamy moissanitu, ako aj malé množstvá v meteoritoch a ložiskách korundu; väčšina komerčných zdrojov SiC sa vyrába synteticky.

Tepelná vodivosť

Karbid kremíka (SiC) je nepostrádateľným materiálom vo výkonovej elektronike, optoelektronike a kvantových výpočtoch1. Lokalizované tepelné toky môžu negatívne ovplyvniť ich výkonnosť rýchlym zvyšovaním teploty - preto je v elektronických systémoch na báze SiC nevyhnutná vysoká tepelná vodivosť.

Karbid kremíka má výrazne vyššiu tepelnú vodivosť ako meď, ktorá je najrozšírenejším kovom. Možno to pripísať silným atómovým väzbám a štruktúre kryštálovej mriežky SiC. Napriek tejto vynikajúcej tepelnej vodivosti má však v porovnaní s inými materiálmi nezvyčajne nízku špecifickú tepelnú kapacitu; približne 170 J/Kg, čo je približne polovica v porovnaní s meďou.

Štúdie vykonané v minulosti preukázali, že tepelná vodivosť karbidu kremíka je výrazne ovplyvnená jeho mikroštruktúrou a fázovým zložením, najmä pri nižších teplotách. Stredné voľné dráhy fonónov v neusporiadanom SiC sú kratšie ako v usporiadaných fázach.

Nedávno sme vykonali rozsiahle analýzy frekvenčnej závislosti tepelnej vodivosti objemových a tenkovrstvových vzoriek SiC pomocou prechodových termoreflexných meraní. Pozorovali sme, že v neusporiadaných aj čistých vzorkách 3C-SiC dochádza k poklesu v závislosti od frekvencie - tento trend je obzvlášť silný pre fonóny s nižšou frekvenciou.

Tento jav možno vysvetliť silnejším rozptylom povrchových fonónov spôsobeným defektmi bóru ako vakanciami, pričom potlačenie tepelnej vodivosti zohráva zásadnú úlohu pri zlepšovaní tepelného riadenia mikroelektroniky na báze SiC.

Karbid kremíka, jeden z najľahších a najtvrdších keramických materiálov, spája atómy uhlíka a kremíka do tetraédrov a vytvára mimoriadne tvrdý a pružný materiál, ktorý odoláva korózii, oderu, erózii a elektrickým šokom. Vďaka vysokému Youngovmu modulu a nízkej tepelnej rozťažnosti je vynikajúcim konštrukčným materiálom; používa sa pri teplotách do 1 600 °C bez straty pevnosti alebo tuhosti a bez problémov znáša kyseliny, zásady a roztavené soli, preto sa už dlho používa v mlynoch a expandéroch chemických závodov - nehovoriac o zrkadlách pre astronomické ďalekohľady!

Elektrická vodivosť

Elektrická vodivosť karbidu kremíka sa mení v závislosti od teploty. Pri nižších teplotách sa správa ako izolant a bráni toku elektrickej energie, ale so zvyšujúcou sa teplotou sa začína správať viac ako polovodič a umožňuje ľahší prechod elektrickej energie; je to spôsobené širšou energetickou medzerou pásma, ktorá umožňuje, aby sa viac elektrónov excitovalo a pohybovalo sa v celom materiáli.

Dopovanie karbidu kremíka môže pomôcť prekonať jeho izolačné vlastnosti pridaním nečistôt, ktoré generujú voľné nosiče náboja, ako sú elektróny a diery, čím sa vytvorí viac voľných nosičov náboja, ako sú elektróny a diery, ktoré sa voľne pohybujú v jeho kryštálovej štruktúre. Dopovaním sa karbid kremíka môže stať buď izolantom, alebo polovodičom; dopovaním hliníkom alebo gáliom získa vlastnosti polovodiča typu P, zatiaľ čo pridaním dusíka alebo fosforu sa vytvoria vlastnosti polovodiča typu N.

Vynikajúca energetická medzera v pásme karbidu kremíka umožňuje jeho použitie v aplikáciách vyžadujúcich vyššie napätie, ako sú vysokonapäťové generátory a výkonové tranzistory. Karbid kremíka umožňuje dosahovať vyššie napätia, pretože jeho energetická medzera v pásme prevyšuje iné polovodičové materiály, ako je napríklad kremík.

Za zmienku stojí aj to, že tepelná vodivosť karbidu kremíka sa mení v závislosti od jeho hustoty; s rastúcou hustotou sa zvyšuje aj jeho tepelná vodivosť v dôsledku zvýšeného pohybu voľných elektrónov v jeho štruktúre, čo vedie k väčšiemu rozptylu tepla prostredníctvom fonónových vibrácií.

Karbid kremíka má prirodzene nízku tepelnú a elektrickú vodivosť; jeho vodivosť sa však môže zvýšiť pridaním prísad, ako sú uhlík a bór, počas spekania. Uhlík môže zmeniť jeho štruktúru, aby umožnil pohyb väčšieho množstva voľných elektrónov, zatiaľ čo pridanie bóru môže zvýšiť jeho Seebeckov koeficient, a tým znížiť aktivačnú energiu, čo vedie k ďalšiemu zlepšeniu vodivosti.

Elektrická vodivosť karbidu kremíka sa dá ďalej využiť jeho použitím ako súčasti kompozitných štruktúr s kovmi alebo keramikou, najmä v reaktoroch jadrovej fúzie, kde sa konštrukčné komponenty budú využívať ako pokrývky z tekutých kovov, ktoré vytvárajú magnetické polia na zadržiavanie plazmy. Nízky elektrický a tepelný odpor je v týchto prípadoch nevyhnutný na minimalizáciu magnetohydrodynamických účinkov spôsobených prúdením tekutého kovu cez kompozitné štruktúry a okolo nich.

Aplikácie

Karbid kremíka je vďaka svojej vodivosti nenahraditeľným materiálom v rôznych aplikáciách, od tradičných polovodičových náhrad až po automobilové komponenty a nepriestrelné panciere. Napríklad jeho elektrická vodivosť mu umožňuje využívať ho na rôzne účely. Chemická stabilita karbidu kremíka ho tiež robí mimoriadne odolným - ideálnym do prostredia s vysokými teplotami, ako sú výrobné zariadenia na výrobu polovodičov.

Vodivosť SiC je daná jeho pásmovou medzerou. Ide o rozdiel energie potrebnej na prechod elektrónov z valenčného pásma do vodivostného pásma alebo z valenčného pásma do vodivostného pásma. Materiály so širokými pásovými medzerami sa považujú za polovodiče, zatiaľ čo úzke sa správajú ako izolanty; čistý karbid kremíka sa správa ako izolant, ale s určitými prímesami môže vykazovať polovodičové vlastnosti.

Karbid kremíka možno vytvoriť zahriatím na veľmi vysoké teploty za prítomnosti uhlíka. Edward C. Acheson bol prvým priekopníkom tejto techniky v roku 1891, keď napúšťal hlinu práškovým koksom, používal elektrické teplo z oblúkovej lampy a elektrické ohrievače, až nakoniec vytvoril tvrdú zelenú látku s dostatočnou pevnosťou na poškriabanie skla, ktorú nazval karborundum.

Karbid kremíka sa nachádza v prírode v horninách, ako je diorit a moissanit, a vyrába sa synteticky. Materiál sa vyznačuje dvoma primárnymi koordinačnými tetraédrami zloženými zo štyroch atómov uhlíka a štyroch atómov kremíka viazaných do každého tetraédra; tieto tetraédre sa potom ukladajú na seba a vytvárajú polytypy - pričom polytyp alfa sa často vyskytuje s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu ako jeho najčastejšie sa vyskytujúci variant.

Dopovanie karbidu kremíka umožňuje jeho premenu na polovodič typu p alebo n pridaním rôznych dopantov, ako sú bór a hliník; dopanty dusíka a fosforu ho menia na polovodič typu n.

Hmotnostná spektrometria so žiarivým výbojom a röntgenová fluorescenčná spektroskopia sú dve populárne techniky na analýzu karbidu kremíka; presnejšia analýza môže zahŕňať indukčne viazanú plazmu - optickú emisnú spektrometriu alebo laserovú abláciu - indukčne viazanú plazmu - hmotnostnú spektrometriu na tuhých vzorkách alebo rozkladaných/vylúhovaných vzorkách.