Prevodnost silicijevega karbida

Okamoto in drugi so izmerili prevodnost silicijevega karbida pri različnih temperaturah in ugotovili, da majhne količine dodatka Si ne povečajo prevodnosti za dva do tri velikostne rede, vendar se zaradi preseganja 5 mol% prevodnost poveča za tri velikostne rede.

Silicijev karbid je polprevodniški material, ki ga je mogoče z dopiranjem z aluminijevimi, borovimi, galijevimi, fosforjevimi ali dušikovimi ioni spremeniti v n-tip ali p-tip.

Električna prevodnost

Silicijev karbid je polprevodniški material, kar pomeni, da se nahaja nekje med kovinami (ki prevajajo električni tok) in izolatorji (ki se upirajo toku). Pri nižjih temperaturah se silicijev karbid obnaša bolj kot izolator, saj se upira pretoku električne energije, pri višjih temperaturah pa postane bolj podoben prevodniku, saj prepušča električni tok. Obnašanje silicijevega karbida je odvisno od temperature in nečistoč: dodatek aluminija, bora in galija lahko ustvari polprevodnik tipa N, dodatek dušika ali fosforja pa polprevodniški učinek tipa N; dodatno nadzorovano dopiranje lahko v tem materialu ustvari superprevodnost.

SiC je električno polprevodni material z začetno upornostjo med 105 in 107 Ohm*cm v čistem stanju, čeprav lahko dodajanje električno prevodnih drugih faz to upornost dovolj zmanjša za uporabo v grelnikih; celotna upornost je odvisna od morfologije in pogojev obdelave samega materiala.

Komercialni prah SiC ima pogosto nestehiometrično sestavo; običajno vsebuje presežek aluminija in silicija. To sicer ne predstavlja težav pri sintranju želenih kristalnih struktur, vendar pa je zaradi njegove prisotnosti ta naloga na zraku preprostejša zaradi nižje pasovne vrzeli b-SiC. Ker N2 zagotavlja večjo odpornost proti temu procesu transformacije in tudi proti dopiranju SiC-a, bi lahko zmanjšali učinke dopiranja z N-jem.

Toplotna prevodnost

Silicijev karbid (SiC) ima izjemne lastnosti toplotne prevodnosti, zaradi katerih je ključni material v močnostni elektroniki in optoelektroniki1,2. Žal je zaradi visokega lokaliziranega toplotnega toka naprav iz SiC toplotno upravljanje zahtevno, kar povzroča pregrevanje naprav, ki ogroža zmogljivost in zanesljivost, zlasti pri močnostnih napravah, ki delujejo pri temperaturah, višjih od temperature okolice. Zato je globlje razumevanje mikrostrukture, fazne sestave in toplotne prevodnosti SiC ključnega pomena za oblikovanje materialov s še višjo toplotno prevodnostjo.

V okviru raziskave vpliva fazne sestave, mikrostrukture in defektne strukture na toplotno prevodnost SiC-a je bil prašek b-SiC submikronske velikosti zgoščen s sintranjem v tekoči fazi v iskrivi plazmi (L-SPS) z različnimi koncentracijami Y2O3 in Yb2O3, za izdelavo gostih vzorcev, ki vsebujejo do 20% grafenovih nanodelcev (GNP), z enoosnim tlakom stiskanja med postopkom L-SPS, kar povzroči prednostno poravnavo GNP pravokotno na os stiskanja in s tem večjo toplotno prevodnost vzdolž te smeri; v vzporedni smeri pa se toplotna prevodnost ni izboljšala.

Poleg tega je bila za ocenjevanje defektnih struktur v atomskem merilu v teh vzorcih b-SiC skupaj z difrakcijo s povratnim sipanjem elektronov uporabljena skenirna transmisijska elektronska mikroskopija visoke ločljivosti (HR-STEM). Zaradi prisotnih naravnih napak ni bilo opaziti nobenega vpliva, vendar je dodatek Yb2O3 veliko bolj vplival na toplotno prevodnost, kar morda kaže na to, da je kot odgovor na presežno vsebnost Yb2O3 v njegovi mrežni strukturi nastala raven nečistoč.

Kemijska prevodnost

Silicijev karbid (SiC) je izjemna kemijska spojina, sestavljena iz enakih delov silicija in ogljika, povezanih z močnimi kovalentnimi vezmi, podobno kot diamant, s trdoto 9 po Mohsovi lestvici, zaradi česar je izjemno trpežen in odporen na ekstremne temperature.

SiC je znan po svojih lastnostih polprevodnika s široko pasovno vrzeljo, ki omogoča prosto gibanje elektronov po njegovi materialni strukturi in s tem prevajanje električne energije pri segrevanju; pri nižjih temperaturah pa njegova struktura deluje bolj kot izolator in se upira električnemu toku.

Električne in toplotne lastnosti silicijevega karbida se lahko spremenijo z dodajanjem nečistoč. Z dodajanjem aluminija, bora in galija nastane polprevodnik tipa p, z dodajanjem dušika in fosforja pa postane polprevodnik tipa n; te spremembe lahko znatno povečajo njegovo električno prevodnost.

Monokristalni SiC zaradi svoje goste strukture v praktičnih aplikacijah ne more v celoti izkoristiti svoje odlične toplotne prevodnosti. Polikristalna keramika, pridobljena iz komercialno dostopnih praškov, ima pogosto nižjo toplotno prevodnost zaradi naključne usmerjenosti zrn, nepopolnosti mreže in sekundarnih faz z zmanjšano prevodnostjo na mejah zrn.

Pred naložbo je ključnega pomena, da se izpolnijo želene lastnosti materiala iz silicijevega karbida. Poleg tega se lahko razumevanje njegovega delovanja skozi čas izkaže za še posebej pomembno pri aplikacijah, kot so grelniki, kjer je lahko njegova življenjska doba močno omejena zaradi učinkov obrabe in obrabe materiala, ki lahko bistveno spremenijo njegovo delovanje.

Toplotna stabilnost

Silicijev karbid je izjemno trdna kemična spojina s heksagonalno strukturo in široko pasovno vrzeljo ter polprevodniškimi lastnostmi. Vrzel med energijo sproščanja elektronov in največjo energijo valenčnega pasu je skoraj trikrat večja kot pri siliciju, zaradi česar se ga je oprijel vzdevek material s široko pasovno vrzeljo in je primeren za močnostno elektroniko in visokonapetostne aplikacije, kot so sistemi za upravljanje baterij električnih vozil.

Čisti SiC je brezbarven, v industrijski proizvodnji pa se kombinira s fosforjem, tako da nastane karborundum - rjav do črn prah z mavričnim leskom, ki nastane iz tankih plasti pasivacije, ki ščiti kristale -, po katerem je ta material dobil ime. Sprva se je karborund najpogosteje uporabljal za detektorske diode v ladijskih radijskih sprejemnikih, danes pa se uporablja predvsem kot trdi izolatorji, kot so rezalna orodja in zavorne ploščice.

Pri sobni temperaturi ima SiC tipa n lastno prevodnost približno 2 10-6 ohm-cm. Njegovo električno prevodnost pa je mogoče povečati z dopiranjem z dušikom, fosforjem ali berilijem, da dobimo material tipa p, in z oblikovanjem akceptorjev bora na mestih Si, kar poveča tako električno prevodnost kot električno upornost.

Dopiranje lahko ogrozi toplotno stabilnost SiC tipa n, ker elektroni in luknje uhajajo iz rešetke in ustvarjajo vroče točke v strukturi materiala.