Silisyum Karbürün İletkenliği

Silikon karbür, en hafif ve en sert seramik malzemelerden biridir; korozyona, aşınmaya ve sürtünme kaynaklı yıpranmaya kolaylıkla direnir. Ayrıca, yarı iletken özellikleri sayesinde elektrikli araçlardaki güç elektroniği gibi yüksek gerilim uygulamaları için uygundur.

SiC’nin iletkenliği, n-tipi yarı iletkenler için azot veya fosfor, p-tipi yarı iletkenler için ise alüminyum, bor veya galyum ile katkılama yoluyla artırılabilir; ayrıca bu malzeme termal iletkenliği son derece yüksek bir malzemedir.

Bant aralığı

Silikon Karbür (SiC), geniş bant aralığına sahip yarı iletken özelliklere sahip, sağlam bir altıgen yapılı kimyasal bileşiktir. Bu özellikleri, SiC’yi silikon cihazlara kıyasla daha yüksek çalışma sıcaklıkları, daha yüksek engelleme gerilimleri ve daha düşük anahtarlama kayıpları gerektiren güç elektroniği cihazları için mükemmel bir aday haline getirir; ayrıca, güç yoğunluğunu artıran daha ince tasarımlara olanak tanıyan daha geniş bant aralıklarına da sahiptir.

Silikon karbür, diğer elementlerle katkılanarak elektriksel olarak iletken hale getirilebilir; bu, yarı iletken endüstrisinde yaygın olarak uygulanan bir yöntemdir. Katkılama, iletkenliği, ısı direncini ve hassas işlenebilirliği artırır – örneğin, azot veya fosfor gibi bir n-tipi katkı maddesi eklenmesi, kristal yapısı içindeki elektron ve delik bağlantısını ve dolayısıyla iletkenliği artırır.

Silikon karbürün iletkenliğini artırmanın bir başka yöntemi de, iletkenliği yükseltmek amacıyla kristal yapısına safsızlıkların eklenmesi olan doping işlemidir. Doping, bant aralığı ve ısı iletkenliği gibi özellikleri değiştirebilir. Örneğin, n-tipi bir dopant ile doping yapılması, bant aralığının boyutunu azaltır; böylece elektronlar bu aralığı daha kolay geçerek bant aralığının iletkenliği artıran bölgelerine ulaşabilir ve sonuç olarak iletkenlik artar.

Silikon karbürün bant aralığı, karbon içeriğinin artırılması veya bazı oksijen atomlarının hidrojenle değiştirilmesi yoluyla da azaltılabilir; zira karbonun silikonla bağlanma enerjisi düşükken, silikon ile oksijen arasındaki bağlanma enerjisi, silikon ile azot atomları arasındaki bağlanma enerjisinden önemli ölçüde daha yüksektir.

Silikon karbürün bant aralığı silikondan üç kat daha geniştir; bu da onu güç elektroniği uygulamaları için mükemmel bir malzeme haline getirir. Geniş bant aralığı sayesinde silikona kıyasla çok daha yüksek anahtarlama gerilimlerine ve frekanslarına dayanabilir; ayrıca birçok elektronik cihazda gerekli olan yüksek sıcaklıklara da dayanabilir.

Silikon karbür, son derece yüksek bir içsel elektrik iletkenliğine sahiptir ve bu iletkenlik, n-tipi veya p-tipi katkılarla artırılabilir. Genellikle sert ve kırılgan bir malzemedir ve renksiz bir görünüme sahiptir. SiC'nin doğal kaynakları sınırlıdır: moissanit taşlarında, meteorlarda ve korindon yataklarında zaman zaman az miktarlarda bulunur; ticari amaçla kullanılan SiC'nin çoğu sentetik olarak üretilir.

Isı iletkenliği

Silikon karbür (SiC), güç elektroniği, optoelektronik ve kuantum hesaplama uygulamalarında vazgeçilmez bir malzemedir¹. Yerel ısı akıları, sıcaklıkları hızla yükselterek bu sistemlerin performansını olumsuz etkileyebilir; bu nedenle SiC tabanlı elektronik sistemlerde yüksek ısı iletkenliği hayati önem taşır.

Silikon karbür, en yaygın metal olan bakırdan önemli ölçüde daha yüksek bir ısı iletkenliğine sahiptir. Bu durum, SiC’nin güçlü atomik bağlarına ve kristal kafes yapısına atfedilebilir. Ancak, bu üstün ısı iletkenliğine rağmen, diğer malzemelere kıyasla alışılmadık derecede düşük bir özgül ısı kapasitesine sahiptir; yaklaşık 170 J/kg, yani bakırın yaklaşık yarısı kadar.

Daha önce yapılan çalışmalar, silikon karbürün ısı iletkenliğinin, özellikle düşük sıcaklıklarda, mikroyapısı ve faz bileşiminden büyük ölçüde etkilendiğini ortaya koymuştur. Düzensiz SiC’deki fononların ortalama serbest yol uzunlukları, düzenli fazlardakinden daha kısadır.

Son dönemde, geçici termo-yansıtma ölçümleri kullanarak, kütle ve ince film SiC numunelerinin termal iletkenliğinin frekansa bağlılığı üzerine kapsamlı analizler gerçekleştirdik. Hem düzensiz hem de saf 3C-SiC numunelerinde frekansın bir fonksiyonu olarak azalmalar gözlemledik; bu eğilim özellikle düşük frekanslı fononlarda daha belirgindi.

Bu olgu, bor kusurlarının boşluklara kıyasla daha güçlü yüzey fonon saçılımına yol açmasıyla açıklanabilir; ısı iletkenliğinin bastırılması ise SiC tabanlı mikroelektronik cihazların termal yönetiminin iyileştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır.

En hafif ve en sert seramik malzemelerden biri olan silikon karbür, karbon ve silikon atomlarını tetrahedron yapısında birleştirerek korozyona, aşınmaya, erozyona ve elektrik çarpmasına dayanıklı, son derece sert ve esnek bir malzeme oluşturur. Yüksek Young modülü ve düşük ısıl genleşme oranları sayesinde mükemmel bir yapısal malzeme olarak kullanılmaktadır; 1600 °C’ye varan sıcaklıklarda mukavemetini veya sertliğini kaybetmeden kullanılabilen ve asitlere, alkalilere ve erimiş tuzlara kolaylıkla dayanabilen bu malzeme, uzun süredir kimya tesislerinde, değirmenlerde ve genişleticilerde kullanılmaktadır – astronomik teleskoplar için aynalar da cabası!

Elektriksel iletkenlik

Silikon karbürün elektrik iletkenliği sıcaklığa göre değişir. Düşük sıcaklıklarda yalıtkan gibi davranır ve elektrik akışına direnç gösterir; ancak sıcaklık arttıkça yarı iletken gibi davranmaya başlar ve elektriğin daha kolay geçmesine izin verir; bunun nedeni, daha geniş bir enerji band aralığına sahip olmasıdır; bu da daha fazla elektronun uyarılmasına ve malzeme içinde hareket etmesine olanak tanır.

Silikon karbürün doplanması, elektron ve delik gibi serbest yük taşıyıcıları üreten safsızlıkların eklenmesi yoluyla malzemenin yalıtkanlık özelliklerinin aşılmasına yardımcı olabilir; böylece kristal yapısı içinde serbestçe hareket eden elektron ve delik gibi daha fazla serbest yük taşıyıcısı oluşturulur. Doping işlemiyle silikon karbür, ya bir yalıtkan ya da yarı iletken haline gelebilir; alüminyum veya galyum ile doping yapılması ona P-tipi yarı iletken özellikleri kazandırırken, azot veya fosfor ilavesi ise N-tipi yarı iletken özellikleri oluşturur.

Silikon karbürün üstün bant aralığı enerjisi, yüksek gerilim jeneratörleri ve güç transistörleri gibi daha yüksek gerilim gerektiren uygulamalarda kullanılmasını sağlar. Silikon karbür, bant aralığı enerjisi silikon gibi diğer yarı iletken malzemelerinkini aştığı için daha yüksek gerilimlere olanak tanır.

Ayrıca, silikon karbürün ısı iletkenliğinin yoğunluğuna göre değiştiği de dikkat çekicidir; yoğunluk arttıkça, yapısı içindeki serbest elektron hareketinin artması nedeniyle ısı iletkenliği de artar ve bu da fonon titreşimleri yoluyla daha fazla ısının dağıtılmasına yol açar.

Silikon karbür, doğal olarak düşük termal ve elektriksel iletkenliğe sahiptir; ancak sinterleme sırasında karbon ve bor gibi katkı maddelerinin eklenmesiyle iletkenliği artırılabilir. Karbon, yapısını değiştirerek daha fazla serbest elektronun içinden geçmesine olanak sağlayabilir; bor ilavesi ise Seebeck katsayısını artırabilir ve böylece aktivasyon enerjisini düşürerek iletkenliğin daha da iyileşmesini sağlayabilir.

Silikon karbürün elektrik iletkenliğinden, metal veya seramiklerle oluşturulan kompozit yapıların bir parçası olarak, özellikle de yapısal bileşenlerin plazmayı hapsetmek için manyetik alanlar oluşturan sıvı metal örtüleri olarak kullanılacağı nükleer füzyon reaktörlerinde daha da fazla yararlanılabilir. Bu durumlarda, kompozit yapıların üzerinden ve çevresinden akan sıvı metalin neden olduğu manyetohidrodinamik etkileri en aza indirmek için düşük elektriksel ve termal direnç hayati önem taşır.

Başvurular

Silikon karbürün iletkenliği, onu geleneksel yarı iletkenlerin yerine kullanılmasından otomobil bileşenlerine ve kurşun geçirmez zırhlara kadar çeşitli uygulamalarda vazgeçilmez bir malzeme haline getirir. Örneğin, elektriksel iletkenliği sayesinde birçok farklı amaçla kullanılabilir. Silikon karbürün kimyasal kararlılığı da onu son derece dayanıklı kılar; bu da onu yarı iletken üretim tesisleri gibi yüksek sıcaklıklı ortamlar için ideal hale getirir.

SiC’nin iletkenliği, bant aralığı tarafından belirlenir. Bu, elektronların valans bandından iletim bandına ya da valans bandından iletim bandına geçmesi için gereken enerji farkını ifade eder. Geniş bant aralığına sahip malzemeler yarı iletken olarak kabul edilirken, dar bant aralığına sahip olanlar yalıtkan görevi görür; saf silikon karbür bir yalıtkan görevi görür, ancak belirli safsızlıklar içerdiğinde yarı iletken özellikler sergileyebilir.

Silikon karbür, karbon varlığında çok yüksek sıcaklıklara ısıtılmak suretiyle elde edilebilir. Edward C. Acheson, 1891 yılında bu tekniğin öncülüğünü yaptı; ark lambasından ve elektrikli ısıtıcılarından elde edilen elektriksel ısıyı kullanarak kile toz kömür karıştırdı ve sonunda camı çizebilecek kadar sertlikte, "karborundum" adını verdiği yeşil bir madde elde etti.

Silikon karbür, hem diorit ve moissanit gibi kayaçlarda doğal olarak bulunabilir hem de sentetik olarak üretilebilir. Bu malzeme, her bir tetrahedron içinde birbirine bağlanmış dört karbon ve dört silikon atomundan oluşan iki birincil koordinasyon tetrahedronuna sahiptir; bu tetrahedronlar daha sonra üst üste yığılmak suretiyle politipler oluşturur – alfa politipi, en sık rastlanan varyantı olarak genellikle Wurtzit'e benzer altıgen kristal yapılara sahiptir.

Silikon karbürün doplanması, bor ve alüminyum gibi çeşitli dopantların eklenmesiyle bu maddenin p-tipi ya da n-tipi yarı iletkene dönüştürülmesini sağlar; azot ve fosfor dopantları ise onu n-tipi yarı iletkene dönüştürür.

Işıklı Deşarj Kütle Spektrometrisi ve X-Işını Floresans Spektroskopisi, silikon karbürün analizinde yaygın olarak kullanılan iki genel tekniktir; daha doğru analizler için ise katı numuneler veya sindirilmiş/süzülmüş numuneler üzerinde İndüktif Kuplajlı Plazma-Optik Emisyon Spektrometrisi veya Lazer Ablasyon-İndüktif Kuplajlı Plazma-Kütle Spektrometrisi kullanılabilir.