Silicon Carbide onthuld: eigenschappen, methoden en toepassingen

Dit artikel onderzoekt de unieke kwaliteiten van SIC, inclusief de structuur, hittebestendigheid, chemische stabiliteit en mechanische sterkte, waardoor het beter is dan traditionele materialen zoals silicium, galliumnitride en germanium.Het kijkt ook naar verschillende manieren waarop SIC wordt geproduceerd, zoals het acheson -proces, chemische dampafzetting en het gemodificeerde lelelproces en hoe deze methoden zijn zuiverheid en prestaties voor industriële doeleinden verbeteren.Het artikel vergelijkt ook de elektrische, thermische en mechanische eigenschappen van SIC met andere halfgeleiders, wat het toenemende gebruik ervan benadrukt in markten die hoge vermogensdichtheid, thermische efficiëntie en duurzaamheid nodig hebben.

Catalogus

Figuur 1: Een close -up van de hand van een vrouw met een siliciumcarbide (sic) kristal (aka carborundum of moissaniet)

Siliconencarbide (SIC) eigenschappen

Figuur 2: Siliconencarbide in petrischaal

De meest voorkomende vorm van siliciumcarbide is alfa siliciumcarbide (α-SIC).Het vormt zich bij temperaturen van meer dan 1.700 ° C en heeft een zeshoekige kristalvorm zoals wurtziet.Wanneer de temperatuur lager is dan 1.700 ° C, wordt bèta-siliciumcarbide (β-SIC) geproduceerd.Deze versie heeft een kristalstructuur vergelijkbaar met die van een diamant.

Figuur 3: Alpha Silicon Carbide (α-SIC)

Figuur 4: Beta siliciumcarbide (β-SIC)

Figuur 5: De MOHS Hardness Scale

Siliciumcarbide is een van de moeilijkste materialen na diamant, met een MOHS -hardheid van ongeveer 9 tot 9,5. De hardheid van de knoop kan variëren op basis van zijn vorm en zuiverheid, maar het is over het algemeen erg hoog, vaak tussen 2.480 en 3.000 kg/mm².

Siliciumcarbide kan bestand zijn tegen zeer hoge druk, vaak meer dan 3000 MPa, heeft een hoge buigsterkte, meestal tussen 400 en 500 MPa, en heeft een goede treksterkte, tussen 250 en 410 MPa.

Hardheid Testmethoden	Test Waardebereik	Specifiek Waarden (zwarte siliciumcarbide)	Specifiek Waarden (groene siliciumcarbide)
Brinell Hardheid	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers Hardheid	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell Hardheid	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs hardheid	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic geleidt goed warmte, met een thermisch Geleidbaarheid van ongeveer 120 w/mk, waardoor het geweldig is voor Beheer van warmte in elektronica.Bij 20 ° C geleidt het warmte op ongeveer 0,41 watt Per centimeter per graad Celsius (W/cm ° C).Maar wanneer de temperatuur tot 1000 ° C, de warmtegeleiding daalt tot ongeveer 0,21 W/cm ° C.

Bovendien wordt siliciumcarbide (sic) snel beïnvloed door de meeste metalen, smelt metaaloxide en alkalische smelt, maar het lost niet op in zuren of basen.De onzuiverheden in technisch siliciumcarbide omvatten meestal vrije koolstof (C) en siliciumdioxide (SiO2), met kleine hoeveelheden silicium (SI), ijzer (Fe), aluminium (AL) en calcium (CA).Het molecuulgewicht van SiC is 40.096.Pure SIC is gemaakt van 70,05% silicium (SI) en 29,95% koolstof (C).

Figuur 6: Siliconencarbide (SIC) chemische structuur

Figuur 7: Siliconencarbide (SIC) chemische structuur

Eigenschappen van N-type en p-type siliciumcarbide (sic)

N-type siliciumcarbide (sic)

Siliciumcarbide (SIC) is een taai materiaal dat wordt gebruikt in toepassingen met een hoge stress omdat het goed met warmte omgaat en erg sterk is.Om N-type sic te maken, worden onzuiverheden toegevoegd, een proces dat doping wordt genoemd, dat zijn elektrische eigenschappen verandert.Elementen zoals stikstof of fosfor, die meer valentie -elektronen hebben dan silicium, worden toegevoegd om het aantal vrije elektronen in de SIC -structuur te vergroten.Dit creëert een negatief geladen, of "n-type", materiaal.

Deze vrije elektronen verbeteren de elektrische geleidbaarheid van SiC aanzienlijk.In N-type SIC kunnen elektronen gemakkelijker bewegen in vergelijking met pure SIC, waar hun beweging beperkt is.Deze betere elektronenbeweging maakt het N-type SIC ideaal voor krachtelektronica en hoogfrequente apparaten waar snelle en efficiënte elektronenstroom.Hoewel het N-type SIC een betere geleidbaarheid heeft, wordt het geen elektriciteit en metalen uitgevoerd, waardoor zijn semi-geleidende eigenschappen worden gehandhaafd.Deze balans zorgt voor een nauwkeurige regeling van de elektronenstroom in verschillende elektronische apparaten.

P-type siliciumcarbide (sic)

P-type siliciumcarbide (sic) werkt anders dan de versie van het N-type.P-type doping omvat het toevoegen van elementen zoals boor of aluminium, die minder valentie-elektronen hebben dan silicium.Dit creëert "gaten" of ruimtes waar elektronen ontbreken, waardoor het materiaal een positieve lading krijgt en het "p-type" maakt.Deze gaten helpen elektrische stroom te dragen door positieve ladingen toe te staan ​​te bewegen.

Waarom siliciumcarbide (sic) de voorkeur?

Figuur 8: Semiconductor -materialen

De onderstaande tabel biedt een gedetailleerde vergelijking van vier halfgeleidermaterialen: silicium (SI), galliumnitride (GAN), Germanium (GE) en siliciumcarbide (sic).De vergelijking is georganiseerd in verschillende categorieën.

Aspect	Silicium (Si)	Gallium Nitride (GAN)	Germanium (GE)	Silicium Carbide (sic)
Elektrische eigenschappen	Rijpe processen, bandgap van 1,1 eV, beperkt in krachtige/frequentie	Hoge elektronenmobiliteit, 3,4 eV bandgap, High-Power/Frequency Toepassingen	Hoge elektronenmobiliteit, 0,66 eV bandgap, hoog lekkage	Brede bandgap van 3,2 eV, efficiënt op high spanningen/temps, lage lekkage
Thermische eigenschappen	Matige thermische geleidbaarheid, kan beperken High-Power-gebruik	Beter dan silicium maar vereist geavanceerd koeling	Lagere thermische geleidbaarheid dan silicium	Hoge thermische geleidbaarheid, effectieve warmte dissipatie
Mechanische eigenschappen	Bros, voldoende voor de meeste toepassingen	Bros, vatbaar voor kraken bij niet -overeenkomen substraten	Bros meer dan silicium	Hard, sterk, geschikt voor hoge duurzaamheid toepassingen
Marktadministratie	Dominant vanwege de gevestigde infrastructuur en lage kosten	Populair in telecom en verdediging, beperkt door Hoge kosten	Beperkt vanwege minder gunstige eigenschappen	Hoge vermogensdichtheid, hoge temp -operatie, Efficiëntie, duurzaamheid, voortdurende kostenreductie

Siliconencarbide maken (sic)

Om siliciumcarbide te maken, verwarm je meestal siliciumdioxidezand en koolstofrijke dingen zoals kolen tot bijna 2500 graden Celsius.Dit geeft je donkerdere siliciumcarbide met wat ijzer- en koolstofonzuiverheden.Siliciumcarbide kan worden gesynthetiseerd door vier hoofdmethoden, elk met verschillende voordelen op maat voor bepaald gebruik.Deze methoden omvatten:

Reactie -gebonden siliciumcarbide (RBSC)

Reactiegebonden siliciumcarbide (RBSC) is gemaakt van een fijn gemengd mix van siliciumcarbide en koolstof.Het mengsel wordt verwarmd tot een hoge temperatuur en blootgesteld aan vloeistof of dampsilicium.Het silicium en de koolstof reageren op meer siliciumcarbide en het silicium vult eventuele overgebleven poriën.Net als reactiegebonden siliciumnitride (RBSN), verandert RBSC tijdens het sinteren zeer weinig van vorm.Wanneer deze producten het smeltpunt van silicium bereiken, blijven ze bijna net zo sterk als voorheen.RBSC is populair in de keramische industrie omdat het kosteneffectief is en kan worden gevormd tot complexe ontwerpen.

Figuur 9: Reactiebanded siliciumcarbide

Reactie -gebonden siliciumcarbide (RBSC) procedure:

Combineer grove siliciumcarbide -deeltjes met silicium en weekmakers.Meng tot een uniforme mengsel wordt bereikt;

Machine het mengsel in de gewenste vormen en vormen.Zorg voor precisie in de geometrie om overeen te komen met definitieve specificaties;

Plaats de gevormde stukken in een oven van hoge temperatuur.Warmte tot een temperatuur die een reactie veroorzaakt tussen het silicium- en siliciumcarbide -deeltjes;

Het silicium reageert met het siliciumcarbide, bindt aan de matrix en toenemende sterkte en duurzaamheid;

Laat de stukken geleidelijk afkoelen tot kamertemperatuur;

Poets de gekoelde stukken om te voldoen aan exacte specificaties en het verbeteren van de oppervlakteafwerking.

Gemodificeerd lely proces

Figuur 10: Gemodificeerd lely proces

Gemaakt in 1978 door Tairov en Tsvetkov, wordt de methode ook de methode Modified-Lelle genoemd.Het gemodificeerde Lely -proces verbetert de synthese van siliciumcarbidekristallen.Het gaat om verwarming en het koelen van een SIC-poeder in een semi-gesloten container, waardoor het kristallen kan vormen op een zaad dat op een iets koelere temperatuur wordt bewaard.

Gemodificeerde lely procesprocedure:

Meng silicium en koolstofpoeders grondig.Plaats het mengsel in een Graphite Crucible;

Plaats de smeltkroes in een oven.Warmte tot ongeveer 2000 ° C in een vacuüm- of inerte gasomgeving om oxidatie te voorkomen;

Het siliciumcarbide -mengsel sublimeert, verandert van een vaste in een gas.

Siliciumcarbide dampen afzetten op een centraal gepositioneerde grafietstang.Hoge zuivere sic enkele kristallen vormen zich op de staaf.

Koel het systeem voorzichtig tot kamertemperatuur.

Extraheer de hoge zuivere siliciumcarbidekristallen uit de grafietstang voor gebruik in hightech-toepassingen.

Chemische dampafzetting (CVD)

Figuur 11: Chemische dampafzetting (CVD)

Een reactieve silaanverbinding, waterstof en stikstof werden gebruikt in een chemische dampafzetting (CVD) -methode om siliciumcarbide (SIC) te produceren bij temperaturen tussen 1073 en 1473 K. Door de chemische reactieinstellingen te veranderen, kan de samenstelling en hardheid van de afzetting de kanworden gecontroleerd.In het CVD-proces voor siliciumcarbide worden waterstof en afgebroken methyltrichlorosilaan (MT's) gemengd op een oppervlak bij hoge temperatuur en lage druk om een ​​gecontroleerde laag dicht siliciumcarbide te creëren.

Procedure voor chemische dampafzetting (CVD):

Bereid siliciumtetrachloride (SICL4) en methaan (CH4) voor als de primaire chemische bronnen;

Plaats het siliciumtetrachloride en methaan in een reactor op hoge temperatuur;

Verwarm de reactor op de vereiste temperatuur om chemische reacties te initiëren;

De omgeving op hoge temperatuur veroorzaakt reacties tussen siliciumtetrachloride en methaan.Deze reacties vormen siliciumcarbide (sic);

De siliciumcarbide vormt en afzettingen op de gewenste substraten in de reactor;

Laat de reactor en de inhoud ervan geleidelijk afkoelen;

Extraheer de gecoate substraten of componenten.Voer eventuele afwerkingsprocessen uit om te voldoen aan de definitieve specificaties.

Het acheson -proces

Figuur 12: Het acheson -proces

De meest voorkomende manier om SIC te maken is de Acheson -methode.Edward Goodrich Acheson creëerde dit proces in 1893 om SIC en grafiet te produceren.Veel siliciumcarbide -planten gebruiken sindsdien deze methode.

De Acheson -procesprocedure:

Meng silica zand grondig met cola;

Leg het mengsel rond een centrale grafietstang in een oven van elektrische weerstand;

Verwarm de oven tot bijna 2500 ° C.Handhaven de temperatuur om de chemische reactie te stimuleren;

De intense warmte zorgt ervoor dat het silica en de koolstof reageren, waardoor siliciumcarbide wordt gevormd;

Laat de oven geleidelijk afkoelen;

Het gevormde siliciumcarbide uit de oven extraheren;

Verder de siliciumcarbide verwerken indien nodig.

Deze tabel biedt een vereenvoudigde vergelijking van vier methoden die worden gebruikt om siliciumcarbide (SIC) te produceren.Het is bedoeld om de unieke voordelen en beste toepassingen van elke productietechniek te helpen begrijpen.

Methode	Voordelen	Best Gebruik
Reactie -gebonden siliciumcarbide (RBSC)	Maakt sterke, duurzame onderdelen Goed voor complexe vormen Weinig vervorming	Armor Plating, krachtige sproeiers
Gemodificeerd lely proces	Zeer pure kristallen Perfecte structuur Betere controle over het proces	Halfgeleiders, Quantum Computing
Chemische dampafzetting (CVD)	Zelfs compositie Hoge zuiverheid Kan verschillende materialen gebruiken	Wear-resistente coatings, corrosiebestendig coatings, halfgeleiderindustrie
Het acheson -proces	Eenvoudige en lage kosten Kan grote hoeveelheden produceren Consistente kristallen van hoge kwaliteit	Schuurmiddelen, refractaire materialen

Siliconencarbide (SIC) in moderne toepassingen

In de auto -industrie, met name voor elektrische voertuigen, verbetert SIC de prestaties van de omvormer en maakt batterijbeheersystemen kleiner, waardoor het voertuigbereik wordt uitgebreid en de kosten snijden.Goldman Sachs schat dat deze verbeteringen ongeveer $ 2.000 per voertuig kunnen besparen.

Figuur 13: Siliconen carbide schijfrem

In zonne -energie verhoogt SiC de omvormer -efficiëntie, waardoor hogere schakelsnelheden mogelijk zijn, wat de circuitgrootte en -kosten vermindert.De duurzaamheid en stabiele prestaties maken het beter dan materialen zoals galliumnitride voor zonnetoepassingen.

Figuur 14: SIC voor zonne -energiesystemen

In telecommunicatie kan SiC uitstekend thermisch beheer apparaten kunnen verwerken, waardoor de prestaties in cellulaire basisstations worden verbeterd en de uitrol van 5G worden ondersteund.Deze vorderingen voldoen aan de behoefte aan betere prestaties en energie-efficiëntie in de volgende generatie draadloze communicatie.

Figuur 15: Siliciumcarbide van de derde generatie halfgeleider

In industriële omgevingen is SiC bestand tegen harde omgevingen en hoogspanningen, waardoor gestroomlijnde ontwerpen met minder koeling, hogere efficiëntie en lagere kosten mogelijk zijn, waardoor de systeemprestaties worden verbeterd.

Afbeelding 16: stalen maken met siliciumcarbide

In de verdediging en de ruimtevaart wordt SIC gebruikt in radarsystemen, ruimtevoertuigen en vliegtuigelektronica.SIC -componenten zijn lichter en efficiënter dan silicium, het beste voor ruimtemissies waarbij het verlagen van de kosten voor het verlagen van het gewicht.

Figuur 17: End-to-end SiC-productie en toepassingen

Conclusie

Siliconencarbide (SIC) wordt het go-to-materiaal voor veel veelgevraagde toepassingen vanwege de uitstekende eigenschappen en verbeterde productietechnieken.Met zijn brede bandgap, grote thermische geleidbaarheid en sterke mechanische eigenschappen, is SIC ideaal voor zware omgevingen die hoog vermogen en hittebestendigheid nodig hebben.De gedetailleerde blik van het artikel op de productiemethoden van SIC laat zien hoe de vooruitgang in de materiële wetenschap de aanpassing van SIC -eigenschappen mogelijk maakt om aan specifieke industriële behoeften te voldoen.Naarmate industrieën naar efficiëntere en compacte apparaten gaan, spelen SIC een rol in automotive, zonne -energie, telecommunicatie en ruimtevaarttechnologieën.Lopend onderzoek om de kosten te verlagen en de SiC-kwaliteit te verbeteren, zal naar verwachting de aanwezigheid van de markt vergroten, waardoor de belangrijke rol in de toekomst van halfgeleidermaterialen en krachtige toepassingen wordt versterkt.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wie gebruikt siliciumcarbide?

Siliciumcarbide wordt gebruikt door industrieën en professionals die werken in elektronica, automotive, ruimtevaart en productie.Ingenieurs en technici vertrouwen erop vanwege zijn duurzaamheid en efficiëntie in omgevingen met hoge stress.

2. Waar wordt siliciumcarbide halfgeleider voor gebruikt?

Siliciumcarbide halfgeleiders worden gebruikt voor krachtige en hoge temperatuurtoepassingen.Het wordt gebruikt in vermogensapparaten voor elektrische voertuigen om vermogensefficiënt te beheren, en in diodes en transistors die worden gevonden in technologieën voor hernieuwbare energie en krachtige toepassingen zoals spoorwegsystemen.

3. Wat is de toepassing van siliciumcarbide sic?

Toepassingen van siliciumcarbide (sic) omvatten:

Power Electronics: efficiënte stroomconversie en -beheer.

Elektrische voertuigen: verbeterde prestaties en bereik.

Solar -omvormers: verhoogde energie -output en betrouwbaarheid.

Lucht- en ruimtevaart: componenten met hoge temperatuur en hoge stress.

Industriële apparatuur: sterke en langdurige onderdelen.

4. Welke producten zijn gemaakt van siliciumcarbide?

Producten gemaakt van siliciumcarbide variëren van halfgeleiders en elektronische apparaten tot schuurmiddelen, snijgereedschap en verwarmingselementen.Het wordt ook gebruikt in pantser en beschermende uitrusting vanwege de hardheid en thermische weerstand.

5. Waar wordt siliciumcarbide geproduceerd?

Siliciumcarbide wordt geproduceerd in gespecialiseerde faciliteiten, voornamelijk in de Verenigde Staten, China en Europa.Bedrijven hebben ovens van hoge temperatuur om SIC te synthetiseren uit grondstoffen zoals kwartszand en petroleum cola.

6. Wat is het verschil tussen silicium en siliciumcarbide?

Het verschil tussen silicium en siliciumcarbide ligt in hun eigenschappen en toepassingen.Silicium is een zuiver element dat wordt gebruikt in standaard halfgeleiderapparaten en zonnepanelen, terwijl siliciumcarbide een verbinding is die bekend staat om zijn hardheid, hoge thermische geleidbaarheid en vermogen om te werken bij hogere spanningen en temperaturen.Dit maakt SIC ideaal voor krachtige en hoge temperatuurtoepassingen, waar silicium zou falen.