Siliciumcarbid afsløret: Egenskaber, metoder og applikationer

Denne artikel udforsker de unikke kvaliteter af SIC, inklusive dens struktur, varmemodstand, kemisk stabilitet og mekanisk styrke, som gør det bedre end traditionelle materialer som silicium, galliumnitrid og germanium.Det ser også på forskellige måder, SIC produceres, såsom Acheson -processen, kemisk dampaflejring og den modificerede Lely -proces, og hvordan disse metoder forbedrer dens renhed og ydeevne til industrielle formål.Artiklen sammenligner også SICs elektriske, termiske og mekaniske egenskaber med andre halvledere, hvilket fremhæver dens stigende anvendelse på markeder, der har brug for høj effekttæthed, termisk effektivitet og holdbarhed.

Katalog

Figur 1: En nærbillede af en kvindes hånd, der holder et siliciumcarbid (sic) Crystal (alias Carborundum eller Moissanite)

Siliciumcarbid (SIC) egenskaber

Figur 2: Siliciumcarbid i Petri Dish

Den mest almindelige form for siliciumcarbid er alfa-siliciumcarbid (α-SIC).Det dannes ved temperaturer over 1.700 ° C og har en hexagonal krystalform som wurtzite.Når temperaturen er under 1.700 ° C, produceres beta-siliciumcarbid (ß-SIC).Denne version har en krystalstruktur, der ligner en diamant.

Figur 3: Alpha Silicon Carbide (α-SIC)

Figur 4: Beta Silicon Carbide (ß-SIC)

Figur 5: MOHS -hårdhedsskalaen

Siliciumcarbid er et af de sværeste materialer efter diamant, med en MOHS -hårdhed på ca. 9 til 9,5. Dens knoop -hårdhed kan variere baseret på dens form og renhed, men den er generelt meget høj, ofte mellem 2.480 og 3.000 kg/mm².

Siliciumcarbid kan modstå meget højt tryk, ofte over 3.000 MPa, har en høj bøjningsstyrke, normalt mellem 400 og 500 MPa og har en god trækstyrke, mellem 250 og 410 MPa.

Hårdhed Testmetoder	Prøve Værdiområde	Bestemt Værdier (sort siliciumcarbid)	Bestemt Værdier (grønt siliciumcarbid)
Brinell hårdhed	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers hårdhed	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell hårdhed	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs hårdhed	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic udfører varme godt med en termisk Konduktivitet på ca. 120 W/MK, hvilket gør det godt til Håndtering af varme i elektronik.Ved 20 ° C udfører den varme ved ca. 0,41 watt Percentimeter pr. Grad Celsius (m/cm ° C).Men når temperaturen går op til 1000 ° C falder dens varmeledning til ca. 0,21 vægt/cm ° C.

Endvidere påvirkes siliciumcarbid (SIC) hurtigt af de fleste metaller, metaloxid -smelter og alkaliske smelter, men det opløses ikke i syrer eller baser.Urenhederne i teknisk siliciumcarbid inkluderer normalt frit kulstof (C) og siliciumdioxid (SiO2) med små mængder silicium (SI), jern (Fe), aluminium (AL) og calcium (CA).Molekylvægten af ​​SIC er 40.096.Ren SIC er lavet af 70,05% silicium (SI) og 29,95% kulstof (C).

Figur 6: Siliciumcarbid (SIC) kemisk struktur

Figur 7: Siliciumcarbid (SIC) kemisk struktur

Egenskaber ved N-type og P-type siliciumcarbid (SIC)

N-type siliciumcarbid (SIC)

Siliciumcarbid (SIC) er et hårdt materiale, der bruges i applikationer med høj stress, fordi det håndterer varme godt og er meget stærk.For at fremstille N-type sic tilføjes urenheder, en proces kaldet doping, der ændrer dens elektriske egenskaber.Elementer som nitrogen eller fosfor, der har mere valenselektroner end silicium, tilsættes for at øge antallet af frie elektroner i SIC -strukturen.Dette skaber en negativt ladet eller "N-type" materiale.

Disse frie elektroner forbedrer SiC's elektriske ledningsevne i høj grad.I N-type SIC kan elektroner bevæge sig lettere sammenlignet med ren SIC, hvor deres bevægelse er begrænset.Denne bedre elektronbevægelse gør N-type SIC ideel til kraftelektronik og højfrekvente enheder, hvor hurtig og effektiv elektronstrøm.Mens N-type SIC har bedre ledningsevne, udfører den ikke elektricitet såvel som metaller og opretholder dens semi-ledige egenskaber.Denne balance giver mulighed for præcis kontrol af elektronstrøm i forskellige elektroniske enheder.

P-type siliciumcarbid (SIC)

P-type siliciumcarbid (SIC) fungerer anderledes end dets N-type version.P-type doping involverer tilsætning af elementer som bor eller aluminium, som har færre valenselektroner end silicium.Dette skaber "huller" eller mellemrum, hvor elektroner mangler, hvilket giver materialet en positiv ladning og gør det "P-type."Disse huller hjælper med at bære elektrisk strøm ved at lade positive afgifter bevæge sig.

Hvorfor foretrukket siliciumcarbid (SIC)?

Figur 8: Halvledermateriale

Tabellen nedenfor giver en detaljeret sammenligning af fire halvledermaterialer: silicium (SI), galliumnitrid (GAN), germanium (GE) og siliciumcarbid (SIC).Sammenligningen er organiseret i forskellige kategorier.

Aspekt	Silicium (SI)	Gallium Nitrid (GAN)	Germanium (Ge)	Silicium Carbide (sic)
Elektriske egenskaber	Ældre processer, bandgap på 1,1 eV, begrænset i højeffekt/frekvens	Høj elektronmobilitet, 3,4 EV -båndgap, applikationer med høj effekt/frekvens	Høj elektronmobilitet, 0,66 EV -båndgap, høj lækage	Bred båndgap på 3,2 eV, effektivt ved høj Spændinger/temps, lav lækage
Termiske egenskaber	Moderat termisk ledningsevne kan begrænse Anvendelser med høj effekt	Bedre end silicium, men kræver avanceret afkøling	Lavere termisk ledningsevne end silicium	Høj termisk ledningsevne, effektiv varme Dissipation
Mekaniske egenskaber	Sprød, tilstrækkelig til de fleste anvendelser	Sprød, tilbøjelig til at revne på uoverensstemmende Substrater	Mere sprødt end silicium	Hård, stærk, velegnet til høj-ledbarhed applikationer
Markedsoptagelse	Dominerende på grund af etableret infrastruktur og lave omkostninger	Populært i telekom og forsvar, begrænset af høje omkostninger	Begrænset på grund af mindre gunstige egenskaber	Høj effektdensitet, høj temp -drift, effektivitet, holdbarhed, løbende omkostningsreduktion

Fremstiller siliciumcarbid (sic)

For at fremstille siliciumcarbid opvarmer du normalt silicasand og kulstofrige ting som kul til næsten 2500 grader Celsius.Dette giver dig mørkere siliciumcarbid med nogle jern- og kulstof urenheder.Siliciumcarbid kan syntetiseres ved fire hovedmetoder, hver med forskellige fordele, der er skræddersyet til særlig anvendelse.Disse metoder inkluderer:

Reaktion bundet siliciumcarbid (RBSC)

Reaktionsbundet siliciumcarbid (RBSC) er fremstillet af en fint blandet blanding af siliciumcarbid og carbon.Blandingen opvarmes til en høj temperatur og udsættes for flydende eller dampsilicium.Silicium og carbon reagerer på dannelse af mere siliciumcarbid, og silicium fylder eventuelle resterende porer.Ligesom reaktionsbundet siliciumnitrid (RBSN) ændrer RBSC sig meget lidt under sintring.Når disse produkter kommer til smeltepunktet for silicium, forbliver de næsten lige så stærke som de var før.RBSC er populær i den keramiske industri, fordi den er omkostningseffektiv og kan formes til komplekse design.

Figur 9: Reaktion bundet siliciumcarbid

Reaktion bundet siliciumcarbid (RBSC) procedure:

Kombiner grov siliciumcarbidpartikler med silicium og blødgører.Bland, indtil en ensartet blanding er opnået;

Maskine blandingen i de ønskede former og former.Sikre præcision i geometrien for at matche de endelige specifikationer;

Placer de formede stykker i en høje temperaturovn.Varme til en temperatur, der forårsager en reaktion mellem silicium- og siliciumcarbidpartikler;

Silicium reagerer med siliciumcarbidet, binding til matrixen og øger styrke og holdbarhed;

Lad brikkerne køle ned gradvist til stuetemperatur;

Poliser de afkølede stykker for at imødekomme nøjagtige specifikationer og forbedre overfladefinish.

Ændret Lely -proces

Figur 10: Ændret Lely -proces

Oprettet i 1978 af Tairov og Tsvetkov, kaldes metoden også den modificerede-lely-metode.Den modificerede Lely -proces forbedrer syntesen af ​​siliciumcarbidkrystaller.Det involverer opvarmning og derefter afkøling af et SIC-pulver i en semi-lukket beholder, så den kan danne krystaller på et frø, der holdes ved en lidt køligere temperatur.

Ændret Lely -procesprocedure:

Bland silicium- og kulstofpulverne grundigt.Placer blandingen i en grafit digel;

Placer digelen i en ovn.Varme til ca. 2000 ° C i et vakuum- eller inert gasmiljø for at forhindre oxidation;

Siliciumcarbidblandingen sublimerer og skifter fra et fast stof til en gas.

Siliciumcarbiddampe deponeres på en centralt placeret grafitstang.Sic-enkeltkrystaller med høj renhed dannes på stangen.

Afkøles omhyggeligt systemet til stuetemperatur.

Ekstraher siliciumcarbidkrystaller med høj renhed fra grafitstangen til brug i højteknologiske applikationer.

Kemisk dampaflejring (CVD)

Figur 11: Kemisk dampaflejring (CVD)

En reaktiv silanforbindelse, hydrogen og nitrogen blev anvendt i en kemisk dampaflejringsmetode (CVD) til at producere siliciumcarbid (SIC) ved temperaturer mellem 1073 og 1473 K. Ved at ændre de kemiske reaktionsindstillinger, kan indbetalingens sammensætning og hårdhed af deponeringvære kontrolleret.I CVD-processen til siliciumcarbid blandes hydrogen og nedbrudt methyltrichlorosilan (MTS) på en overflade ved højt temperatur og lavt tryk for at skabe et kontrolleret lag af tæt siliciumcarbid.

Kemisk dampaflejring (CVD) procedure:

Forbered siliciumtetrachlorid (SICL4) og methan (CH4) som de primære kemiske kilder;

Placer siliciumtetrachlorid og methan i en høje temperaturreaktor;

Opvarm reaktoren til den krævede temperatur for at starte kemiske reaktioner;

Miljøet med høj temperatur forårsager reaktioner mellem siliciumtetrachlorid og methan.Disse reaktioner danner siliciumcarbid (SIC);

Siliciumcarbidformularer og aflejringer på de ønskede underlag i reaktoren;

Lad reaktoren og dens indhold afkøles gradvist;

Uddrag de overtrukne underlag eller komponenter.Foretag eventuelle efterbehandlingsprocesser for at opfylde de endelige specifikationer.

Acheson -processen

Figur 12: Acheson -processen

Den mest almindelige måde at fremstille SIC på er Acheson -metoden.Edward Goodrich Acheson skabte denne proces i 1893 for at fremstille SIC og grafit.Mange siliciumcarbidplanter har anvendt denne metode lige siden.

Proceduren for Acheson -processen:

Bland silicasand med koks grundigt;

Arranger blandingen omkring en central grafitstang i en elektrisk modstandsovn;

Varm ovnen til næsten 2500 ° C.Opretholde temperaturen for at drive den kemiske reaktion;

Den intense varme får silica og kulstof til at reagere og danner siliciumcarbid;

Lad ovnen afkøles gradvist;

Ekstraher det dannede siliciumcarbid fra ovnen;

Proces yderligere siliciumcarbidet, når det er nødvendigt.

Denne tabel tilvejebringer en forenklet sammenligning af fire metoder, der anvendes til at producere siliciumcarbid (SIC).Det sigter mod at hjælpe med at forstå de unikke fordele og bedste anvendelser af hver produktionsteknik.

Metode	Fordele	Bedst Anvendelser
Reaktion bundet siliciumcarbid (RBSC)	Gør stærke, holdbare dele God til komplekse former Lille deformation	Rustningsbelægning, højtydende dyser
Ændret Lely -proces	Meget rene krystaller Perfekt struktur Bedre kontrol over processen	Halvledere, kvanteberegning
Kemisk dampaflejring (CVD)	Endda sammensætning Høj renhed Kan bruge forskellige materialer	Slidbestandige belægninger, korrosionsbestandig Belægninger, halvlederindustrien
Acheson -processen	Enkle og lave omkostninger Kan producere store beløb Konsistent krystaller af høj kvalitet	Abrasiver, ildfaste materialer

Siliciumcarbid (sic) i moderne applikationer

I bilindustrien, især for elektriske køretøjer, forbedrer SIC inverterens ydelse og gør batteristyringssystemer mindre, udvider køretøjets rækkevidde og skærer omkostninger.Goldman Sachs estimerer, at disse forbedringer kunne spare omkring $ 2.000 pr. Køretøj.

Figur 13: Siliciumcarbiddiskbremse

I solenergi øger SIC -invertereffektiviteten, hvilket tillader højere switching -hastigheder, hvilket reducerer kredsløbsstørrelsen og omkostningerne.Dens holdbarhed og stabile ydeevne gør det bedre end materialer som galliumnitrid til solanvendelser.

Figur 14: SIC for solenergisystemer

I telekommunikation tillader SIC fremragende termisk styring enheder at håndtere højere effekttætheder, forbedre ydeevnen i cellulære basestationer og understøtte 5G -udrulning.Disse fremskridt imødekommer behovet for bedre ydeevne og energieffektivitet i den næste generelle trådløse kommunikation.

Figur 15: Tredje generation af halvleder siliciumcarbid

I industrielle omgivelser tåler SIC hårde miljøer og højspændinger, hvilket muliggør strømlinede design med mindre afkøling, højere effektivitet og lavere omkostninger, hvilket forbedrer systemets ydelse.

Figur16: Stålfremstilling med siliciumcarbid

Til forsvar og rumfart bruges SIC i radarsystemer, rumkøretøjer og flyelektronik.SIC -komponenter er lettere og mere effektive end silicium, bedst til rummissioner, hvor der reducerer omkostningerne til vægtskæringer.

Figur 17: End-to-end SIC-produktion og applikationer

Konklusion

Siliciumcarbid (SIC) er ved at blive go-to-materiale til mange applikationer med høj efterspørgsel på grund af dets fremragende egenskaber og forbedrede produktionsteknikker.Med sin brede bandgap, store termiske ledningsevne og stærke mekaniske egenskaber er SIC ideel til hårde miljøer, der har brug for høj effekt og varmemodstand.Artikelsens detaljerede kig på SICs produktionsmetoder viser, hvordan fremskridt inden for materialevidenskab giver mulighed for tilpasning af SIC -egenskaber til at imødekomme specifikke industrielle behov.Når industrier bevæger sig mod mere effektive og kompakte enheder, spiller SIC en rolle i bilindustrien, solenergi, telekommunikation og luftfartsteknologier.Løbende forskning for at reducere omkostningerne og forbedre SIC-kvaliteten forventes at øge sin tilstedeværelse på markedet, hvilket styrker dens vigtige rolle i fremtiden for halvledermaterialer og højtydende applikationer.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvem bruger siliciumcarbid?

Siliciumcarbid bruges af industrier og fagfolk, der arbejder inden for elektronik, bilindustrien, rumfart og fremstilling.Ingeniører og teknikere er afhængige af det for dens holdbarhed og effektivitet i miljøer med høj stress.

2. Hvad er siliciumcarbid halvleder brugt til?

Siliciumcarbid-halvledere bruges til højeffekt- og høj-temperaturapplikationer.Det bruges i strømenheder til elektriske køretøjer til at styre effekt effektivt og i dioder og transistorer, der findes i vedvarende energiteknologier og højeffektanvendelser som jernbanesystemer.

3. Hvad er anvendelsen af ​​siliciumcarbid SIC?

Anvendelser af siliciumcarbid (SIC) inkluderer:

Power Electronics: Effektiv strømkonvertering og styring.

Elektriske køretøjer: Forbedret ydelse og rækkevidde.

Solinverterne: Øget energiudgang og pålidelighed.

Luftfart: høje temperatur og højspændingskomponenter.

Industrielt udstyr: Stærke og langvarige dele.

4. Hvilke produkter fremstilles af siliciumcarbid?

Produkter fremstillet af siliciumcarbid spænder fra halvledere og elektroniske enheder til slibemidler, skæreværktøjer og opvarmningselementer.Det bruges også i rustning og beskyttelsesudstyr på grund af dets hårdhed og termisk modstand.

5. Hvor produceres siliciumcarbid?

Siliciumcarbid produceres i specialiserede faciliteter, primært i USA, China og Europa.Virksomheder driver høje temperaturovne til at syntetisere SIC fra råvarer som kvartssand og petroleumskoks.

6. Hvad er forskellen mellem silicium og siliciumcarbid?

Forskellen mellem silicium og siliciumcarbid ligger i deres egenskaber og anvendelser.Silicium er et rent element, der bruges i standard halvlederindretninger og solcellepaneler, mens siliciumcarbid er en forbindelse, der er kendt for sin hårdhed, høj termisk ledningsevne og evne til at fungere ved højere spændinger og temperaturer.Dette gør SIC ideel til applikationer med høj effekt og høj temperatur, hvor silicium ville mislykkes.