Які електричні властивості карбіду кремнію?

Карбід кремнію (SiC) — це надзвичайно твердий матеріал, який за шкалою Мооса має 9 балів — це можна порівняти з алмазом. Він характеризується низьким коефіцієнтом теплового розширення та винятковими хімічною й термостійкістю, а також надзвичайною міцністю та стійкістю до високих температур. Крім того, SiC демонструє виняткову стійкість до зношування.

Завдяки своїй кристалічній структурі графен утворює поліморфи з різними послідовностями укладення — або політипи — що зумовлює цілу низку цікавих електричних властивостей.

Коефіцієнт Зеебека

Коефіцієнт Зеебека матеріалу — це міра його термоелектричної напруги, що виникає у відповідь на перепад температур у матеріалі та створюється носіями заряду, такими як електрони або дірки, присутні в його матриці. Його знак залежить від того, який тип носія переважає — він може бути позитивним або негативним залежно від того, який тип носія домінує в даному випадку. Зі збільшенням його значення зростає й інтенсивність термоелектричного струму.

Коефіцієнт Зеебека можна виміряти, підключивши два різнорідні матеріали до вольтметра та вимірявши вихідну напругу. Ця напруга залежатиме від їхніх відносних коефіцієнтів Зеебека, а також від постійного значення, відомого як платина (Pt). Відношення виміряної напруги до відповідних коефіцієнтів Зеебека називається термоелектричною потужністю.

Якщо ви хочете збільшити коефіцієнт Зеебека сполуки, її металеве оточення слід налаштувати таким чином, щоб досягти максимальної концентрації носіїв заряду. Одним із ефективних способів є легування атомами рідкісноземельних або перехідних металів, таких як Nb, Ti та Zn; крім того, його також можна збільшити за допомогою іонно-струменевого легування.

Коефіцієнт Зеебека матеріалів можна легко обчислити за допомогою простої формули: S/(D+r). Потім за допомогою програмного забезпечення MATLAB можна обчислити F, або інтеграл Фермі, який відображає його точність для більшості твердих тіл у робочих температурних діапазонах; однак значення будуть відрізнятися залежно від матеріалу.

Залежно від типу напівпровідника його оптимальний коефіцієнт Зеебека буде різним. Наприклад, напівпровідники p-типу, як правило, мають значно вищі коефіцієнти Зеебека, ніж напівпровідники n-типу, оскільки в їхній зоні провідності присутні та активні набагато більше вільних електронів, ніж у їхніх аналогів p-типу.

Домішки не тільки змінюють коефіцієнт Зеебека матеріалів, але й можуть впливати на їхні електричні властивості та змінювати енергетичні зони шляхом утворення резонансів; це може призвести до асиметричної структури зон або зміни енергетичної щілини.

Опір

Карбід кремнію в найчистішому вигляді виступає електричним ізолятором і не пропускає електронний потік. Він стає напівпровідником лише тоді, коли до його кристалічної структури додаються домішки шляхом легування — це дозволяє носіям заряду вільно рухатися, що значно знижує питомий опір і продовжує знижувати його в міру збільшення ступеня легування. Зі збільшенням рівня легування опір, як правило, зменшується.

Легування дозволяє збільшити кількість електронів і дірок у матеріалі, тим самим покращуючи протікання струму, що призводить до підвищення його електропровідності. У фізиці питомий електричний опір матеріалів визначається як їхній опір, помножений на довжину та поділений на площу поперечного перерізу, а одиницею вимірювання їхнього питомого опору є ом.

Закон Ома має логарифмічний характер; отже, формула для обчислення електричного питомого опору будь-якого зразка має вигляд R = (R + log(r)/log(l)), де одиницями вимірювання є ом-секунди та метри. Опір відіграє важливу роль у системах розподілу електроенергії, а також у методах заземлення, допомагаючи визначити їхню ефективність та результативність.

Оскільки питомий електричний опір карбіду кремнію залежить від його структури, надзвичайно важливо розуміти фактори, що його визначають. Варто також зазначити, що його опір нижчий, ніж у типових металевих або керамічних матеріалів; крім того, слід пам’ятати, що величини опору можуть змінюватися залежно від температури та залежно від типу зразків карбіду кремнію.

Низька електрична провідність пористого карбіду кремнію робить його чудовим матеріалом для електроіскрової обробки (EDM), зокрема завдяки його низькій щільності та рівномірній низькій електричній провідності, що забезпечує ефективну обробку методом EDM без пошкодження матеріалу та марнування енергії. Зверніться до Calix Ceramic Solutions вже зараз, якщо бажаєте отримати додаткову інформацію про наш спечений пористий SiC з низьким електричним опором — наша команда з радістю відповість на всі ваші запитання! Компанія Calix Ceramic Solutions пишається тим, що пропонує високоякісні спечені вироби, зокрема матеріали для ЕДМ, у рамках нашого асортименту високоякісних спечених продуктів!

Ширина забороненої зони

Карбід кремнію — це напівпровідниковий матеріал із шириною забороненої зони приблизно 3,26 еВ, яка відокремлює рівні вільних електронів і дірок, запобігаючи їхньому злиттю з утворенням іонів, що перешкоджали б проходженню електричного струму. Завдяки такій широкій забороненій зоні електронні прилади з карбіду кремнію можуть працювати при вищих напругах, температурах і частотах, ніж кремнієві пристрої.

Напівпровідникові властивості карбіду кремнію дозволяють застосовувати його в умовах високих температур та абразивного середовища, завдяки чому він підходить для виготовлення автомобільних гальм, зчеплень, керамічних пластин у бронежилетах та бронежилетів; крім того, його стійкість до окислення робить його важливим компонентом високотемпературних вогнетривких матеріалів.

Карбід кремнію не проводить електрику так, як метали, але його електричні властивості все ж можна регулювати за допомогою легування. Легування полягає у введенні домішок у кристалічну структуру матеріалу з метою збільшення кількості вільних носіїв заряду (електронів або дірок) у ньому, що, відповідно, підвищує його провідність та електропровідність. Легування широко застосовується у напівпровідниковій промисловості для регулювання електричних властивостей матеріалів.

Електричні властивості та висока теплопровідність карбіду кремнію зробили його невід’ємною складовою силової електроніки. IGBT та біполярні транзистори стали одними з перших силових напівпровідників, у яких почав застосовуватися карбід кремнію, завдяки його меншому опору увімкнення порівняно з кремнієвими аналогами, а також здатності витримувати вищі напруги пробою.

У міру розвитку технологій карбід кремнію знаходить все нові сфери застосування. Наприклад, завдяки низькому коефіцієнту теплового розширення та високій твердості він став ідеальним матеріалом для виготовлення дзеркал астрономічних телескопів; крім того, з цього матеріалу було виготовлено легкі, але міцні підсистеми космічних апаратів, які успішно витримали умови космічного простору.

Фізичні та електронні властивості карбіду кремнію революціонізують потужну електроніку для застосувань з високою потужністю. Пристрої на основі SiC витримують як високі температури, так і високу напругу, що є надзвичайно важливим для застосування в електродвигунах. Крім того, знижені втрати при комутації та менша кількість тепла, що виділяється, сприяють підвищенню ККД, збільшуючи загальну ефективність. Крім того, пристрої на основі SiC менш схильні до електромагнітних перешкод (EMI), що робить їх придатними для використання у високочастотних перетворювачах.

Теплопровідність

Теплопровідність — це властивість матеріалів, що характеризує кількість тепла, яке передається через поверхню за одиницю часу. Карбід кремнію відрізняється винятковою теплопровідністю, завдяки чому він підходить для застосувань, що вимагають ефективного відведення тепла. Дійсно, його теплопровідність перевищує навіть теплопровідність міді та приблизно втричі вища, ніж у чистого кремнію.

Карбід кремнію — кристалічна сполука, що складається з кремнію та вуглецю, — вже давно вважається незамінним промисловим матеріалом у багатьох галузях. Завдяки своїй механічній міцності, електричним властивостям та термічній стабільності карбід кремнію є ідеальною альтернативою багатьом матеріалам у різних сферах застосування — зокрема в електроніці, де його широка заборонена зона дозволяє йому витримувати набагато вищі напруги та частоти, ніж традиційні напівпровідникові прилади на основі кремнію.

Американець Едвард К. Ачесон потрапив на перші шпальти газет у 1891 році, коли, використовуючи електричне тепло з електростанції, він наситив глину вуглецем, отримавши шестикутні кристали, достатньо тверді, щоб подряпати скло. Він назвав їх «карборундом», хоча насправді це були кристали карбіду кремнію. Винахід Ечесона докорінно змінив виробництво світлодіодів (LED), детекторів у перших радіоприймачах, автомобільних гальм і зчеплень, керамічних пластин для куленепробивних жилетів та зносостійких вогнетривких матеріалів.

Фізична міцність та низька проникність полікарбонату роблять його чудовою заміною сталі в сферах застосування, що вимагають стійкості до стирання, таких як зносостійкі пластини. Крім того, завдяки стійкості до окислення та температурній стабільності цей матеріал підходить для використання в суворих умовах автомобільної та авіакосмічної галузей, а його хімічна інертність забезпечує стійкість до корозії під дією агресивних хімічних речовин.

Завдяки чудовій теплопровідності карбід кремнію є ідеальним матеріалом для застосувань, що вимагають ефективного теплообміну, таких як електричні печі та обладнання для індукційного нагрівання. Крім того, його низький коефіцієнт теплового розширення сприяє збереженню цілісності конструкції навіть за підвищених температур.

Хоча чистий карбід кремнію поводиться як ізолятор, додавання контрольованих домішок, таких як алюміній, може надати йому напівпровідникових властивостей. Наприклад, додаючи алюміній, отримують SiC p-типу, тоді як додавання кисню дає SiC n-типу — ці типи домішок можна вводити різними методами, зокрема шляхом іонної імплантації та хімічного легування. SiC часто обирають як базовий матеріал для високоефективних напівпровідникових приладів, таких як IGBT та біполярні транзистори, завдяки значно вищим напругам пробою та частотам порівняно з іншими напівпровідниками на основі кремнію.