Hur man mäter ledningsförmågan hos kiselkarbid elektriskt

Kiselkarbid är ett extremt hårt material som på Mohs-skalan ligger någonstans mellan aluminiumoxid och diamant. Det har enastående hållfasthet, korrosionsbeständighet, slitstyrka, hög smältpunkt och andra tekniska fördelar som gör det perfekt för krävande tekniska tillämpningar.

Föroreningar, så kallade dopningsämnen, kan också ge halvledande egenskaper. Dopning med kväve och fosfor ger en kiselkarbidstruktur av n-typ, medan dopning med aluminium, bor eller gallium ger en kiselkarbidstruktur av p-typ.

Bandgap

Bandgapet avser energiskillnaden mellan ett fast ämnes ledningsband och valensband; ju mindre detta gap är, desto bättre leder materialet. Bandgap spelar en avgörande roll för hur elektricitet leds: de avgör hur mycket energi elektroner behöver för att bryta sig loss och börja leda elektricitet; denna process ligger också till grund för hur halvledare fungerar: smala bandgap gör det möjligt för fler elektroner att övergå från valensbandet till ledningsbandet, vilket leder till snabbare strömledning i halvledare.

Bredden på ett materials bandgap beror på dess storlek och struktur, men den avgörande faktorn är om det är baserat på metall eller halvledare. Metaller tenderar att ha bredare bandgap, medan halvledare har smalare. Material med små atomer och starka bindningar tenderar att ha bredare bandgap, medan material med större atomer och svaga bindningar har smalare bandgap, såsom kiselkarbid som har ett extremt smalt bandgap.

I halvledare bildas bandgapet genom en växelverkan mellan n-typ- och p-typ-elektroner; elektronerna i respektive grupp befinner sig i sina egna specifika band – där varje typ har sin egen uppsättning energinivåer som är kopplade till dess toppar och dalar.

Halvledare med smalt bandgap har högre ledningsförmåga än andra, eftersom termisk excitation skapar en liten population av elektroner i valens- och ledningsbanden som kan omfördelas med hjälp av elektriska fält för att bilda elektrisk ström.

Förutom sina ledande egenskaper erbjuder halvledare med större bandgap ytterligare fördelar utöver ledningsförmågan: drift vid högre temperaturer är idealisk för militära och andra krävande tillämpningar, och ökar dessutom den kritiska elektriska fältdensiteten så att de tål högre effektnivåer – en egenskap som är särskilt viktig i enheter som kräver hög driftshastighet.

Seebeck-koefficienten

Seebeck-koefficienten mäter den spänning som alstras genom den termoelektriska effekten mellan två punkter i ett material. Den kan uttryckas antingen i volt per kelvin (V/K) eller mikrovolt per kelvin (mV/K). En högre Seebeck-koefficient indikerar högre verkningsgrad hos den termoelektriska generatorn, vilket gör den till en viktig faktor att beakta vid val av material för specifika tillämpningar.

Temperatur, kristallstruktur och föroreningar spelar alla en avgörande roll för att bestämma ett materials Seebeck-koefficient, som kan vara antingen positiv eller negativ beroende på om det är positivt eller negativt laddade laddningsbärare som dominerar; normalt sett kan koefficienten vara positiv när elektroner dominerar, medan den till och med kan bli negativ när hål dominerar.

Seebeck-koefficienten mäts vanligtvis genom att man placerar den ena änden av ett prov vid en konstant temperatur samtidigt som man värmer upp den andra änden till olika temperaturer, för att sedan beräkna spänningsskillnaderna mellan ändarna utifrån temperaturskillnaderna och förändringarna i den elektriska strömmen mellan provets ändar. Genom att analysera lutningen på det linjära sambandet mellan temperaturskillnaderna och spänningsskillnaden får man fram värdet på Seebeck-koefficienten.

Andra metoder för att mäta Seebeck-koefficienten är differentialmätning och enkeländsmätning, där man vid den senare metoden håller ena änden av provet vid en fast temperatur samtidigt som man mäter temperaturförändringen vid den andra änden, för att sedan använda denna spänningsskillnad för att beräkna Seebeck-koefficienten. Denna metod ger snabba och exakta resultat utan att provets temperatur behöver stabiliseras under mätningen.

Forskare har utvecklat en innovativ teknik för att mäta den elektriska ledningsförmågan och Seebeck-koefficienten hos nanotrådar av kiselkarbid med hjälp av mikromotståndstermometri i upphängt tillstånd och fyrpunktsmätningar på varje nanotråd. Denna metod, som är mer precis än traditionella metoder, gör det möjligt för forskarna att få information om varje nanotråds energibandsstruktur samt att bestämma dess koncentration av fria laddningsbärare – ovärderlig information som kommer att bidra till framtida kiselkarbidkomponenters prestanda.

Resistivitet

Resistiviteten är en väsentlig del av mätningen av materialens ledningsförmåga. Den mäter hur svårt det är för elektriska laddningar att röra sig genom ett material utan att stöta på hinder; vanligtvis indikerar en lägre resistivitet bättre elektriska ledningsegenskaper; resistivitetsnivåerna kan dock variera kraftigt beroende på kristallstorlek och struktur – till exempel kan ett större gitter av kiselkarbid försvåra elektrisk ledning på grund av att det förekommer fler defekter än i mindre kristallstrukturer; sådana defekter kan mildras genom dopning med orenheter eller dopning i högre koncentrationer.

Kiselkarbids förmåga att leda elektricitet beror både på dess resistivitet och på de föroreningar som finns i materialet. Vid låga temperaturer beter sig kiselkarbid mer som en isolator genom att motverka strömflödet, men så snart det värms upp börjar det leda elektricitet som en metall, vilket gör det perfekt för elektronik som kräver höga spänningar och snabba signaler.

Kiselkarbid har både elektriska och fysikaliska egenskaper. Förutom att det är kemiskt inert gör dess höga hårdhet (nio på Mohs-skalan) och låga värmeutvidgning att det kan användas i extrema och högpresterande tekniska tillämpningar, bland annat i pumpkullager, ventiler, slipverktyg och delar till förbränningskammare.

Kiselkarbids främsta fördel ligger i dess breda bandgap, vilket gör att det kan användas vid högre frekvenser än konventionella halvledare. Dessutom har kiselkarbid dubbelt så hög värmeledningsförmåga som kisel – vilket gör det till ett utmärkt val för elektroniska komponenter.

Även om kiselkarbidens sammansättning och kristallstruktur bidrar till dess låga elektriska resistivitet, spelar även tillverkningsprocessen en viktig roll. Genom kemisk ångdeposition (CVD) uppnås volymresistiviteter på mindre än 0,1 ohm-cm, vilket möjliggör användning inom halvledarindustrin samt i miljöer med höga temperaturer och stora påfrestningar.

SiC består av kol- och kiselatomer som hålls samman av starka kovalenta bindningar, vilket ger ett material som är extremt motståndskraftigt mot korrosion och mekaniska skador. Dessa faktorer bidrar också till materialets styrka och hållbarhet, men kan begränsa strömflödet. Med den ökande efterfrågan på högfrekventa elektroniska enheter som väntar i framtiden kan kiselkarbidens låga resistivitet, i kombination med dess snabba mättnadsdrift och temperaturberoende, bli allt mer värdefullt i konkurrensen med traditionella halvledare.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid är en extremt hållbar icke-oxidbaserad keramik med många önskvärda egenskaper. Den har både utmärkt värmeledningsförmåga och elektrisk ledningsförmåga, vilket gör den lämplig för olika industriella tillämpningar, medan dess breda bandgap gör den lämplig som ersättning för kisel i tillämpningar inom kraftelektronik.

SiC används i elektroniska komponenter som dioder, transistorer och tyristorer som kräver högre spänningstålighet än kiselbaserad elektronik; tack vare dess breda bandgap kan det klara detta samtidigt som det bibehåller en effektiv drift.

Materialens värmeledningsförmåga är också av enorm betydelse; den gör att värmen kan förflytta sig snabbare från en punkt till en annan, vilket gör enheterna mer energieffektiva totalt sett. Vid konstruktion av elektriska och elektroniska kretsar innebär snabbare värmeöverföring att enheterna blir mer effektiva.

Värmeledningsförmågan hos kiselkarbid varierar med temperaturen, vilket gör mätningarna av den oprecisa när man försöker förutsäga hur materialet kommer att uppföra sig under andra förhållanden. Att använda en exakt formel vid beräkningen av värmeledningsförmågan kan därför ge mer exakta förutsägelser, eftersom denna formel tar hänsyn till olika faktorer som avgör hur mycket värme som kan överföras genom ett materialprov.

Det är värt att notera att kiselkarbids värmeledningsförmåga varierar med temperaturen; därför kan dess värde vid ett visst tillfälle inte användas för att med precision förutsäga om materialet kommer att fortsätta fungera vid den temperaturen över tid. Dessutom mäter värmeledningsförmågan endast värmeöverföring via ledning; strålning eller konvektion kan inte beaktas i beräkningarna.

Kiselkarbid är i sig ett elektriskt halvledande material (10⁵ till 10⁷ ohm·cm), men genom att tillsätta elektriskt ledande andra faser kan dess ledningsförmåga förbättras avsevärt. Det är vanligt att använda dopning med bor och aluminium; dopning med kväve och fosfor ger också upphov till halvledare av p-typ.