Razkrit silicijev karbid: lastnosti, metode in aplikacije

Ta članek raziskuje edinstvene lastnosti SIC, vključno z njeno strukturo, toplotno odpornostjo, kemično stabilnostjo in mehansko trdnostjo, zaradi česar je boljši od tradicionalnih materialov, kot so silikon, galijev nitrid in germanium.Prav tako se nahaja na različne načine, kot so postopek Acheson, kemični odlaganje hlapov in spremenjeni postopek LELY in kako te metode izboljšujejo njegovo čistost in zmogljivost za industrijske namene.Članek primerja tudi električne, toplotne in mehanske lastnosti SIC z drugimi polprevodniki, kar poudarja njegovo naraščajočo uporabo na trgih, ki potrebujejo veliko gostoto moči, toplotno učinkovitost in trajnost.

Katalog

Slika 1: Od blizu ženske roke, ki drži kristal silicijevega karbida (sic) (aka karborondum ali moissanite)

Lastnosti silicijevega karbida (sic)

Slika 2: Silicijev karbid v petriji

Najpogostejša oblika silicijevega karbida je alfa silicijev karbid (α-SIC).Nastane pri temperaturah nad 1.700 ° C in ima šesterokotno kristalno obliko, kot je wurtzit.Kadar je temperatura pod 1.700 ° C, nastane beta silicijev karbid (β-SIC).Ta različica ima kristalno strukturo, podobno kot diamant.

Slika 3: Alpha silicijev karbid (α-SIC)

Slika 4: Beta silicijev karbid (β-SIC)

Slika 5: Lestvica trdote MOHS

Silicijev karbid je eden najtežjih materialov po diamantu, s trdoto MOHS približno 9 do 9,5. Njegova trdota knoopa se lahko razlikuje glede na njegovo obliko in čistost, vendar je na splošno zelo visoka, pogosto med 2480 in 3000 kg/mm².

Silicijev karbid lahko zdrži zelo visok tlak, pogosto več kot 3000 MPa, ima visoko upogibno trdnost, običajno med 400 in 500 MPa, in ima dobro vlečno trdnost, med 250 in 410 MPa.

Trdota Metode testiranja	Test Vrednost vrednosti	Specifično Vrednosti (črni silicijev karbid)	Specifično Vrednosti (zeleni silicijev karbid)
Brinell trdota	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Trdota Vickers	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell trdota	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs trdota	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic dobro vodi toploto s toplotno prevodnost približno 120 w/mk, zaradi česar je odlična za Upravljanje toplote v elektroniki.Pri 20 ° C vodi toploto pri približno 0,41 vatov na centimeter na stopinjo Celzija (w/cm ° C).Ko pa temperatura naraste 1000 ° C, njegova toplotna prevodnost pade na približno 0,21 w/cm ° C.

Poleg tega silicijev karbid (sic) hitro vpliva na večina kovin, kovinske oksidne taline in alkalne taline, vendar se ne raztopi v kislinah ali bazah.Nečistoče v tehničnem silicijevem karbidu običajno vključujejo prosti ogljik (C) in silicijev dioksid (SiO2), z majhnimi količinami silicija (SI), železa (Fe), aluminija (AL) in kalcija (CA).Molekularna teža SIC je 40.096.Čisti sic je narejen iz 70,05% silicija (SI) in 29,95% ogljika (C).

Slika 6: Kemična struktura silicijevega karbida (sic)

Slika 7: Kemična struktura silicijevega karbida (sic)

Lastnosti silicijevega karbida tipa N in P (sic)

Silicijev karbid N-tipa (sic)

Silicijev karbid (SIC) je trd material, ki se uporablja pri aplikacijah z visokim stresom, ker dobro ravna s toploto in je zelo močan.Za izdelavo N-tipa se dodajo nečistoče, postopek, imenovan doping, ki spreminja njegove električne lastnosti.Za povečanje števila prostih elektronov v strukturi SIC so dodani elementi, kot sta dušik ali fosfor, ki imajo več valenčnih elektronov kot silicij.To ustvarja gradivo negativno nabito ali "N-tipa".

Ti prosti elektroni močno izboljšajo električno prevodnost SIC.Pri N-tipu se lahko elektroni lažje gibljejo v primerjavi s čistim sic, kjer je njihovo gibanje omejeno.To boljše gibanje elektronov je N-tip SIC idealen za elektroniko in visokofrekvenčne naprave, kjer hiter in učinkovit pretok elektronov.Medtem ko ima N-tip sic boljšo prevodnost, ne izvaja električne energije in kovin, kar ohranja svoje polprevojne lastnosti.To ravnovesje omogoča natančen nadzor pretoka elektronov v različnih elektronskih napravah.

Silicijev karbid P-Type (sic)

Silicijev karbid P-tipa (SIC) deluje drugače kot različica N-tipa.Doping P-tipa vključuje dodajanje elementov, kot sta boron ali aluminij, ki imajo manj valenčnih elektronov kot silicij.To ustvarja "luknje" ali prostore, v katerih manjkajo elektroni, kar daje materialu pozitiven naboj in ga "P-tip".Te luknje pomagajo prenašati električni tok, saj omogočajo premikanje pozitivnih nabojev.

Zakaj raje silicijev karbid (sic)?

Slika 8: polprevodniški materiali

Spodnja tabela vsebuje podrobno primerjavo štirih polprevodniških materialov: silicija (SI), galijevega nitrida (GAN), germanium (GE) in silicijevega karbida (SIC).Primerjava je organizirana v različne kategorije.

Vidik	Silicij (Si)	Galij Nitrid (gan)	Germanium (GE)	Silicij Karbid (sic)
Električne lastnosti	Zreli procesi, pasu 1,1 eV, omejeni v moči/frekvenci	Visoka mobilnost elektronov, 3,4 EV BandGap, aplikacije z visoko močjo/frekvenco	Visoka mobilnost elektronov, 0,66 EV BandGap, visoka puščanje	Širok pas 3,2 eV, učinkovit pri visoki napetosti/tempe, majhno uhajanje
Toplotne lastnosti	Zmerna toplotna prevodnost se lahko omeji Uporaba visoke moči	Boljši od silicija, vendar zahteva napredno hlajenje	Nižja toplotna prevodnost kot silicij	Visoka toplotna prevodnost, učinkovita toplota odvajanje
Mehanske lastnosti	Krhka, zadostna za večino uporabe	Krhka, nagnjena k razpokanju na neusklajenem substrati	Bolj krhka kot silicij	Trda, močna, primerna za visoko trmast prijave
Sprejetje trga	Prevladujoča zaradi uveljavljene infrastrukture in nizki stroški	Priljubljen v telekomunikaciji in obrambi, omejen visoki stroški	Omejena zaradi manj ugodnih lastnosti	Visoka gostota moči, delovanje visoke temperature, Učinkovitost, trajnost, stalno zmanjšanje stroškov

Izdelava silicijevega karbida (sic)

Za izdelavo silicijevega karbida običajno segrejete silicijev pesek in stvari, bogate z ogljikom, kot je premog, na skoraj 2500 stopinj Celzija.To vam daje temnejši silicijev karbid z nekaj nečistoč iz železa in ogljika.Silicijev karbid je mogoče sintetizirati s štirimi glavnimi metodami, pri čemer ima vsaka izrazita koristi, prilagojena za določene uporabe.Te metode vključujejo:

Silicijev karbid z vezanjem reakcije (RBSC)

Reakcijski vezan silicijev karbid (RBSC) je narejen iz fino mešane mešanice silicijevega karbida in ogljika.Zmes segrevamo na visoko temperaturo in izpostavljeno tekočemu ali hlapnemu siliciju.Silicij in ogljik reagirata tako, da tvorita več silicijevega karbida, silicij pa napolni vse ostanke pore.Tako kot reakcijsko vezan silicijev nitrid (RBSN) tudi RBSC med sintranjem zelo malo.Ko ti izdelki pridejo do talicije silicija, ostanejo skoraj tako močni kot prej.RBSC je priljubljen v keramični industriji, saj je stroškovno učinkovit in ga je mogoče oblikovati v zapletene modele.

Slika 9: Silicijev karbid, vezan na reakcijo

Postopek silicijevega karbida (RBSC) z reakcijskim vezanjem:

Združite grobe delce silicijevega karbida s silikonom in mehčalci.Mešajte, dokler ne dosežemo enotne mešanice;

Mešanico obdelate v želene oblike in oblike.Zagotovite natančnost v geometriji, da se ujemajo s končnimi specifikacijami;

Oblačne kose postavite v visokotemperaturno peč.Segrejte na temperaturo, ki povzroči reakcijo med delci silicija in silicijevega karbida;

Silicij reagira s silicijevim karbidom, ki se veže na matrico in povečuje trdnost in trajnost;

Pustite, da se kosi postopoma ohladijo na sobno temperaturo;

Ohlajene kose polirajte, da izpolnite natančne specifikacije in izboljšajte površinsko zaključek.

Spremenjen proces lely

Slika 10: Spremenjen proces lely

Metoda, ki sta jo leta 1978 ustvarila Tairov in Tsvetkov, se imenuje tudi metoda Modified-Lely.Spremenjeni proces lely izboljša sintezo kristalov silicijevega karbida.Vključuje segrevanje in nato hlajenje sic v prahu v pol zaprti posodi, kar omogoča, da tvori kristale na semenu, ki se hrani pri rahlo hladnejši temperaturi.

Spremenjen postopek procesa Lely:

Temeljito premešajte silicijeve in ogljikove praške.Mešanico postavite v grafitni lon;

Postavite lonček v peč.V vakuumskem ali inertnem plinskem okolju segrejte približno 2000 ° C, da se prepreči oksidacija;

Zmes silicijevega karbida se sublimira in se spreminja iz trdne v plin.

Silicijeve kabinske hlape odlagajo na centralno postavljeno grafitno palico.Na palici se tvorijo enojni kristali sic.

Sistem previdno ohladite na sobno temperaturo.

Iz grafitne palice za uporabo v visokotehnoloških aplikacijah izvlecite kristale silicijevega karbida iz visoko čisto čistosti.

Odlaganje kemičnih hlapov (CVD)

Slika 11: Kemična odlaganje hlapov (CVD)

Reaktivna silanska spojina, vodik in dušik smo uporabili pri metodi kemičnega nalaganja hlapov (CVD) za proizvodnjo silicijevega karbida (sic) pri temperaturah med 1073 in 1473 K. S spreminjanjem kemičnih reakcijskih nastavitev lahko ličenje in trdota nahajališča lahkobiti nadzorovani.V procesu CVD za silicijev karbid se vodik in razčlenjeni metiltriklorosilan (MT) mešajo na površini pri visoki temperaturi in nizkem tlaku, da ustvarijo nadzorovano plast gostega silicijevega karbida.

Postopek kemičnega odlaganja hlapov (CVD):

Pripravite silicijev tetraklorid (SICL4) in metan (CH4) kot primarne kemične vire;

Silicijev tetraklorid in metan postavite v visokotemperaturni reaktor;

Reaktor segrejte na zahtevano temperaturo, da sproži kemične reakcije;

Visokotemperaturno okolje povzroča reakcije med silicijevim tetrakloridom in metanom.Te reakcije tvorijo silicijev karbid (sic);

Silicijev karbid tvori in se nahaja na želene podlage znotraj reaktorja;

Pustite, da se reaktor in njena vsebina postopoma ohladi;

Izvlecite prevlečene podlage ali komponente.Izvedite morebitne postopke zaključka, da izpolnite končne specifikacije.

Postopek Acheson

Slika 12: postopek Acheson

Najpogostejši način za izdelavo SIC je metoda Acheson.Edward Goodrich Acheson je ta postopek ustvaril leta 1893 za izdelavo sic in grafita.Številne rastline silicijevega karbida to metodo uporabljajo že od nekdaj.

Postopek postopka Acheson:

Silicijev pesek temeljito zmešajte s koksom;

Mešanico razporedite okoli osrednje grafitne palice v električni uporni peči;

Peč segrejte na skoraj 2500 ° C.Vzdrževanje temperature, da poganja kemično reakcijo;

Močna vročina povzroči reakcijo silicijevega dioksida in ogljika, ki tvorita silicijev karbid;

Pustite, da se peč postopoma ohladi;

Iz peči izvlečete oblikovan silicijev karbid;

Nadaljnji obdelajte silicijev karbid, kadar koli je to potrebno.

Ta tabela ponuja poenostavljeno primerjavo štirih metod, ki se uporabljajo za proizvodnjo silicijevega karbida (SIC).Njegov cilj je pomagati razumeti edinstvene prednosti in najboljše uporabe vsake proizvodne tehnike.

Metoda	Prednosti	Najboljše Uporaba
Silicijev karbid z vezanjem reakcije (RBSC)	Naredi močne, trpežne dele Dobro za zapletene oblike Majhna deformacija	Oklepne plošče, visokozmogljive šobe
Spremenjen proces lely	Zelo čisti kristali Popolna struktura Boljši nadzor nad postopkom	Polprevodniki, kvantno računalništvo
Odlaganje kemičnih hlapov (CVD)	Celo sestava Visoka čistost Lahko uporabite različne materiale	Obloge, odporni na obrabo, korozijsko odporni premazi, industrija polprevodnikov
Postopek Acheson	Preprosti in nizki stroški Lahko proizvede velike količine Dosledni, kakovostni kristali	Abrazivi, ognjevzdržni materiali

Silicijev karbid (sic) v sodobnih aplikacijah

V avtomobilski industriji, zlasti za električna vozila, SIC izboljšuje delovanje pretvornikov in sisteme za upravljanje baterij manjši, razširi razpon vozil in zmanjšuje stroške.Goldman Sachs ocenjuje, da bi te izboljšave lahko prihranile približno 2000 dolarjev na vozilo.

Slika 13: Zavor diska iz silicijevega karbida

V sončni energiji SIC poveča učinkovitost pretvornika, kar omogoča večje hitrosti preklopa, kar zmanjšuje velikost in stroške vezja.Njegova trajnost in stabilna zmogljivost sta boljša od materialov, kot je Gallium nitrid za sončne aplikacije.

Slika 14: SIC za sisteme sončne energije

V telekomunikacijah SIC odlično toplotno upravljanje omogoča naprave, da obvladajo večje gostote moči, izboljšajo delovanje na celičnih baznih postajah in podpirajo uvedbo 5G.Ti napredki ustrezajo potrebi po boljši uspešnosti in energetski učinkovitosti v brezžičnih komunikacijah naslednjega generacije.

Slika 15: Polprevodniški silicijev karbid tretje generacije

SIC v industrijskih nastavitvah zdrži ostro okolje in visoke napetosti, kar omogoča racionalizirane modele z manj hlajenja, večjo učinkovitostjo in nižjimi stroški, kar povečuje zmogljivost sistema.

Slika16: izdelava jekla s silicijevim karbidom

V obrambi in vesoljskem prostoru se SIC uporablja v radarskih sistemih, vesoljskih vozilih in letalski elektroniki.SIC komponente so lažje in učinkovitejše od silicija, najboljše za vesoljske misije, kjer zmanjšanje stroškov zmanjšanja teže.

Slika 17: Proizvodnja in aplikacije od konca do konca

Zaključek

Silicijev karbid (SIC) postaja material za številne aplikacije z veliko povpraševanjem zaradi odličnih lastnosti in izboljšanih proizvodnih tehnik.SIC je s svojim širokim pasom, veliko toplotno prevodnostjo in močnimi mehanskimi lastnostmi idealen za težka okolja, ki potrebujejo visoko moč in toplotno odpornost.Podroben pogled na proizvodne metode SIC prikazuje, kako napredek v znanosti o materialih omogoča prilagoditev lastnosti SIC za zadovoljevanje posebnih industrijskih potreb.Ko se industrije premikajo k učinkovitejšim in kompaktnim napravam, igrajo vlogo pri avtomobilskih, sončnih, telekomunikacijah in vesoljskih tehnologijah.Pričakuje se, da bodo nenehne raziskave za zmanjšanje stroškov in izboljšanje kakovosti SIC povečale njegovo tržno prisotnost, kar bo okrepilo pomembno vlogo v prihodnosti polprevodniških materialov in visokozmogljivih aplikacij.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

1. Kdo uporablja silicijev karbide?

Silicijev karbide uporabljajo industrije in strokovnjaki, ki delajo na področju elektronike, avtomobilske, vesoljske in proizvodnje.Inženirji in tehniki se nanjo zanašajo na svojo trajnost in učinkovitost v okolju z visokim stresom.

2. Za kaj se uporablja polprevodnik iz silicijevega karbida?

Silicijevi polprevodniki karbida se uporabljajo za uporabo z visoko močjo in visoko temperaturo.Uporablja se v napajalnih napravah za električna vozila za učinkovito upravljanje z energijo ter v diodah in tranzistorjih, ki jih najdemo v tehnologijah obnovljivih virov energije in aplikacijah z visoko močjo, kot so železniški sistemi.

3. Kakšna je uporaba silicijevega karbide sic?

Uporaba silicijevega karbida (sic) vključujejo:

Power Electronics: Učinkovita pretvorba in upravljanje moči.

Električna vozila: izboljšana zmogljivost in domet.

Sončni pretvorniki: povečana proizvodnja energije in zanesljivost.

Aerospace: visokotemperaturne in visoke stresne komponente.

Industrijska oprema: močni in dolgotrajni deli.

4. Kateri izdelki so narejeni iz silicijevega karbida?

Izdelki iz silicijevega karbida segajo od polprevodnikov in elektronskih naprav do abrazivov, rezalnih orodij in ogrevalnih elementov.Uporablja se tudi v oklepu in zaščitni prestavi zaradi svoje trdote in toplotne odpornosti.

5. Kje nastaja silicijev karbid?

Silicijev karbid je proizveden v specializiranih objektih, predvsem v ZDA, China in Evropi.Podjetja upravljajo visokotemperaturne peči, da sintetizirajo sic iz surovin, kot sta kremenči pesek in naftni koks.

6. Kakšna je razlika med silicijevim in silicijevim karbidom?

Razlika med silicijevim in silicijevim karbidom leži v njihovih lastnostih in aplikacijah.Silicij je čisti element, ki se uporablja v standardnih polprevodniških napravah in sončnih ploščah, medtem ko je silicijev karbid spojina, znana po svoji trdoti, visoki toplotni prevodnosti in sposobnosti delovanja pri višjih napetostih in temperaturah.Zaradi tega je SIC idealen za aplikacije z visoko močjo in visokotemperaturo, kjer silicij ne bi uspel.