Silicon Carbide svelato: proprietà, metodi e applicazioni

Questo articolo esplora le qualità uniche di SIC, tra cui la sua struttura, la resistenza al calore, la stabilità chimica e la resistenza meccanica, che lo rendono migliore dei materiali tradizionali come silicio, nitruro di gallio e germanio.Esamina inoltre in diversi modi in cui si produce SIC come il processo di Acheson, la deposizione di vapore chimico e il processo lely modificato e il modo in cui questi metodi migliorano la sua purezza e le sue prestazioni per scopi industriali.L'articolo confronta anche le proprietà elettriche, termiche e meccaniche di SIC con altri semiconduttori, evidenziando il suo crescente uso nei mercati che richiedono un'elevata densità di potenza, efficienza termica e durata.

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Figura 1: un primo piano della mano di una donna con un cristallo in carburo di silicio (SIC) (aka Carborundum o Moissanite)

Proprietà in carburo di silicio (SIC)

Figura 2: carburo di silicio in Petri

La forma più comune di carburo di silicio è il carburo alfa silicio (α-SIC).Si forma a temperature superiori a 1.700 ° C e ha una forma di cristallo esagonale come la wurtzite.Quando la temperatura è inferiore a 1.700 ° C, viene prodotto carburo di silicio beta (β-SIC).Questa versione ha una struttura cristallina simile a quella di un diamante.

Figura 3: carburo alfa silicio (α-SIC)

Figura 4: Carburo di silicio beta (β-SIC)

Figura 5: la scala di durezza MOHS

Il carburo di silicio è uno dei materiali più duri dopo il diamante, con una durezza MOHS di circa 9 a 9,5. La sua durezza Knoop può variare in base alla sua forma e purezza, ma è generalmente molto elevata, spesso tra 2.480 e 3.000 kg/mm².

Il carburo di silicio può resistere alla pressione molto elevata, spesso oltre 3.000 MPa, ha un'alta resistenza alla flessione, di solito tra 400 e 500 MPa, e ha una buona resistenza di trazione, tra 250 e 410 MPa.

Durezza Metodi di test	Test Intervallo di valori	Specifico Valori (carburo di silicio nero)	Specifico Valori (carburo di silicio verde)
Durezza di Brinell	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers Durezza	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Durezza Rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Durezza MOHS	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC conduce bene il calore, con un termico conduttività di circa 120 W/MK, rendendola fantastica per Gestione del calore in elettronica.A 20 ° C, conduce calore a circa 0,41 watt Percentimetro per grado Celsius (w/cm ° C).Ma quando la temperatura si avvicina 1000 ° C, la sua conduzione di calore scende a circa 0,21 W/cm ° C.

Inoltre, il carburo di silicio (SIC) è rapidamente influenzato dalla maggior parte dei metalli, si scioglie l'ossido di metallo e si scioglie alcaline, ma non si dissolve in acidi o basi.Le impurità nel carburo di silicio tecnico di solito includono carbonio libero (C) e biossido di silicio (SIO2), con piccole quantità di silicio (SI), ferro (Fe), alluminio (AL) e calcio (CA).Il peso molecolare di SIC è 40.096.Il SIC puro è realizzato con silicio (SI) del 70,05% e 29,95% di carbonio (C).

Figura 6: struttura chimica in carburo di silicio (SIC)

Figura 7: Struttura chimica in carburo di silicio (SIC)

Proprietà del carburo di silicio di tipo N e di tipo P (SIC)

Carburo di silicio di tipo N (SIC)

Il carburo di silicio (SIC) è un materiale duro utilizzato in applicazioni ad alto stress perché gestisce bene il calore ed è molto forte.Per fare SIC di tipo N, vengono aggiunte impurità, un processo chiamato doping, che cambia le sue proprietà elettriche.Elementi come l'azoto o il fosforo, che hanno più elettroni di valenza rispetto al silicio, vengono aggiunti per aumentare il numero di elettroni liberi nella struttura SIC.Questo crea un materiale caricato negativamente o "N-Type".

Questi elettroni liberi migliorano notevolmente la conduttività elettrica di SIC.In SIC di tipo N, gli elettroni possono muoversi più facilmente rispetto al SiC puro, dove il loro movimento è limitato.Questo miglior movimento di elettroni rende il SIC di tipo N ideale per l'elettronica di alimentazione e dispositivi ad alta frequenza in cui flusso di elettroni rapido ed efficiente.Mentre SIC di tipo N ha una migliore conducibilità, non conduce elettricità e metalli, mantenendo le sue proprietà semi-conduttive.Questo saldo consente un controllo preciso del flusso di elettroni in vari dispositivi elettronici.

Carburo di silicio di tipo P (SIC)

Il carburo di silicio di tipo P (SIC) funziona in modo diverso dalla sua versione di tipo N.Il doping di tipo P implica l'aggiunta di elementi come boro o alluminio, che hanno meno elettroni di valenza rispetto al silicio.Questo crea "buchi" o spazi in cui mancano gli elettroni, dando al materiale una carica positiva e rendendolo "di tipo P".Questi fori aiutano a trasportare la corrente elettrica consentendo le cariche positive di muoversi.

Perché il carburo di silicio (sic) preferito?

Figura 8: Materiali a semiconduttore

La tabella seguente fornisce un confronto dettagliato di quattro materiali a semiconduttore: silicio (SI), nitruro di gallio (GAN), germanio (GE) e carburo di silicio (SIC).Il confronto è organizzato in diverse categorie.

Aspetto	Silicio (Si)	Gallio Nitruro (GAN)	Germanio (GE)	Silicio Carburo (sic)
Proprietà elettriche	Processi maturi, gap di banda di 1,1 eV, limitato in alta potenza/frequenza	Alta mobilità elettronica, 3,4 eV band gap, applicazioni ad alta potenza/frequenza	Alta mobilità elettronica, 0,66 eV band gap, alto perdita	Ampia gap di banda di 3,2 eV, efficiente ad alto livello tensioni/temps, bassa perdita
Proprietà termiche	Conducibilità termica moderata, può limitare usi ad alta potenza	Meglio del silicio ma richiede avanzato raffreddamento	Conduttività termica inferiore rispetto al silicio	Alta conducibilità termica, calore efficace dissipazione
Proprietà meccaniche	Fragile, sufficiente per la maggior parte degli usi	Fragile, incline a cracking su non corrispondente substrati	Più fragile del silicio	Duro, forte, adatto ad alta determinazione applicazioni
Adozione del mercato	Dominante a causa di infrastrutture stabilite e basso costo	Popolare in telecom e difesa, limitato da Costo elevato	Limitato a causa di proprietà meno favorevoli	Ad alta densità di potenza, funzionamento ad alta temperatura, Efficienza, durata, riduzione dei costi in corso

Fare carburo di silicio (sic)

Per preparare il carburo di silicio, di solito si riscalda la sabbia di silice e le cose ricche di carbonio come il carbone a quasi 2500 gradi Celsius.Questo ti dà carburo di silicio più scuro con alcune impurità di ferro e carbonio.Il carburo di silicio può essere sintetizzato attraverso quattro metodi principali, ciascuno con benefici distinti su misura per usi particolari.Questi metodi includono:

Reaction Leded Silicon Carburo (RBSC)

Il carburo di silicio legato alla reazione (RBSC) è realizzato con una miscela finemente mista di carburo di silicio e carbonio.La miscela viene riscaldata ad alta temperatura ed esposta al silicio liquido o vapore.Il silicio e il carbonio reagiscono per formare più carburo di silicio e il silicio riempie eventuali pori rimanenti.Come nitruro di silicio legato alla reazione (RBSN), RBSC cambia forma molto poco durante la sinterizzazione.Quando questi prodotti arrivano al punto di fusione del silicio, rimangono quasi forti come prima.RBSC è popolare nell'industria ceramica perché è conveniente e può essere modellato in progetti complessi.

Figura 9: Carburo di silicio legato alla reazione

Procedura di carburo di silicio incollato (RBSC) di reazione:

Unisci particelle di carburo di silicio grossolane con silicio e plastificanti.Mescolare fino a raggiungere una miscela uniforme;

Macchina la miscela nelle forme e nelle forme desiderate.Garantire la precisione nella geometria per abbinare le specifiche finali;

Posizionare i pezzi sagomati in una fornace ad alta temperatura.Riscaldare a una temperatura che provoca una reazione tra particelle di silicio e carburo di silicio;

Il silicio reagisce con il carburo di silicio, legandosi alla matrice e aumentando la forza e la durata;

Lasciare raffreddare i pezzi gradualmente a temperatura ambiente;

Solontanare i pezzi raffreddati per soddisfare le specifiche esatte e migliorare la finitura superficiale.

Processo Lely modificato

Figura 10: processo Lely modificato

Creato nel 1978 da Tairov e Tsvetkov, il metodo è anche chiamato metodo modificato-elly.Il processo Lely modificato migliora la sintesi di cristalli in carburo di silicio.Implica il riscaldamento e quindi il raffreddamento di una polvere SIC in un contenitore semi-chiuso, permettendogli di formare cristalli su un seme che viene mantenuto a una temperatura leggermente più fredda.

Procedura di processo Lely modificata:

Mescolare accuratamente le polveri di silicio e carbonio.Posizionare la miscela in un crogiolo di grafite;

Posizionare il crogiolo in una fornace.Calore a circa 2000 ° C in un ambiente a vuoto o gas inerte per prevenire l'ossidazione;

La miscela di carburo di silicio sublima, cambiando da un solido a un gas.

I vapori in carburo di silicio si depositano su un'asta di grafite posizionata centralmente.Cristalli singoli SIC ad alta purezza si formano sull'asta.

Raffreddare con cura il sistema a temperatura ambiente.

Estrai i cristalli in carburo di silicio ad alta purezza dall'asta di grafite per l'uso in applicazioni ad alta tecnologia.

Deposizione di vapore chimico (CVD)

Figura 11: deposizione di vapore chimico (CVD)

Un composto reattivo in silano, idrogeno e azoto sono stati usati in un metodo di deposizione di vapore chimico (CVD) per produrre carburo di silicio (SIC) a temperature tra 1073 e 1473 K. modificando le impostazioni di reazione chimica, il trucco e la durezza del depositoessere controllato.Nel processo CVD per carburo di silicio, l'idrogeno e il metiltriclorosilano (MT) sono miscelati su una superficie ad alta temperatura e bassa pressione per creare uno strato controllato di denso carburo di silicio.

Procedura di deposizione di vapore chimico (CVD):

Preparare il tetracloruro di silicio (SICL4) e il metano (CH4) come fonti chimiche primarie;

Posizionare il tetracloruro di silicio e il metano in un reattore ad alta temperatura;

Riscaldare il reattore alla temperatura richiesta per avviare reazioni chimiche;

L'ambiente ad alta temperatura provoca reazioni tra tetracloruro di silicio e metano.Queste reazioni formano carburo di silicio (sic);

Il carburo di silicio si forma e si deposita sui substrati desiderati all'interno del reattore;

Consentire al reattore e al suo contenuto di raffreddarsi gradualmente;

Estrarre i substrati o i componenti rivestiti.Condurre eventuali processi di finitura per soddisfare le specifiche finali.

Il processo di Acheson

Figura 12: il processo di Acheson

Il modo più comune per rendere SIC è il metodo Acheson.Edward Goodrich Acheson ha creato questo processo nel 1893 per produrre SIC e grafite.Molte piante in carburo di silicio da allora hanno usato questo metodo.

La procedura di processo di Acheson:

Mescola accuratamente la sabbia di silice con la coca cola;

Disporre la miscela attorno a un'asta di grafite centrale in un forno di resistenza elettrica;

Scaldare il forno a quasi 2500 ° C.Mantenere la temperatura per guidare la reazione chimica;

Il calore intenso fa reagire la silice e il carbonio, formando carburo di silicio;

Lasciare raffreddare gradualmente la fornace;

Estrarre il carburo di silicio formato dalla fornace;

Elaborare ulteriormente il carburo di silicio quando richiesto.

Questa tabella fornisce un confronto semplificato di quattro metodi utilizzati per produrre carburo di silicio (SIC).Mira a aiutare a comprendere i vantaggi unici e i migliori usi di ogni tecnica di produzione.

Metodo	Vantaggi	Migliore Usi
Reaction Leded Silicon Carburo (RBSC)	Rende parti forti e resistenti Buono per forme complesse Poca deformazione	Armatura placcatura, ugelli ad alte prestazioni
Processo Lely modificato	Cristalli molto puri Struttura perfetta Migliore controllo sul processo	Semiconduttori, calcolo quantistico
Deposizione di vapore chimico (CVD)	Anche composizione Elevata purezza Può utilizzare materiali diversi	Rivestimenti resistenti all'usura, resistenti alla corrosione rivestimenti, industria dei semiconduttori
Il processo di Acheson	Semplice e a basso costo Può produrre grandi quantità Cristalli coerenti e di alta qualità	Abrasivi, materiali refrattari

Silicon Carbide (SIC) in applicazioni moderne

Nell'industria automobilistica, in particolare per i veicoli elettrici, SIC migliora le prestazioni degli inverter e rende i sistemi di gestione delle batterie più piccoli, estendendo la gamma dei veicoli e il taglio dei costi.Goldman Sachs stima che questi miglioramenti potrebbero risparmiare circa $ 2.000 per veicolo.

Figura 13: freno disco in carburo di silicio

In energia solare, SIC aumenta l'efficienza dell'inverter, consentendo una velocità di commutazione più elevate, il che riduce le dimensioni e i costi del circuito.La sua durata e prestazioni stabili lo rendono migliore dei materiali come il nitruro di gallio per applicazioni solari.

Figura 14: SIC per i sistemi di energia solare

Nelle telecomunicazioni, l'eccellente gestione termica SIC consente ai dispositivi di gestire densità di potenza più elevate, migliorando le prestazioni nelle stazioni di base cellulare e supportando il lancio 5G.Questi progressi soddisfano la necessità di migliori prestazioni ed efficienza energetica nelle comunicazioni wireless di nuova generazione.

Figura 15: Carburo di silicio a semiconduttore di terza generazione

In contesti industriali, SIC resiste a ambienti duri e alte tensioni, consentendo progetti semplificati con meno raffreddamento, efficienze più elevate e costi inferiori, migliorando le prestazioni del sistema.

Figura16: Making in acciaio con carburo di silicio

In difesa e aerospaziale, SIC viene utilizzato in sistemi radar, veicoli spaziali e elettronica aeronautica.I componenti SIC sono più leggeri e più efficienti del silicio, le migliori missioni spaziali in cui la riduzione dei costi dei tagli di peso.

Figura 17: produzione e applicazioni SIC end-to-end

Conclusione

Il carburo di silicio (SIC) sta diventando il materiale di riferimento per molte applicazioni ad alta richiesta a causa delle sue eccellenti proprietà e tecniche di produzione migliorate.Con il suo ampio gap di banda, la grande conduttività termica e le forti proprietà meccaniche, SIC è ideale per ambienti difficili che richiedono una resistenza di alta potenza e calore.Lo sguardo dettagliato dell'articolo ai metodi di produzione di SIC mostra come i progressi nella scienza dei materiali consentano alla personalizzazione delle proprietà SIC di soddisfare le esigenze industriali specifiche.Mentre le industrie si muovono verso dispositivi più efficienti e compatti, SIC svolge un ruolo nelle tecnologie automobilistiche, solari, telecomunicazioni e aerospaziali.La ricerca in corso per ridurre i costi e migliorare la qualità del SIC dovrebbe aumentare la sua presenza sul mercato, rafforzando il suo ruolo importante nel futuro dei materiali a semiconduttore e delle applicazioni ad alte prestazioni.

Domande frequenti [FAQ]

1. Chi usa il carburo di silicio?

Il carburo di silicio è utilizzato da industrie e professionisti che lavorano in elettronica, automobilistico, aerospaziale e manifatturiero.Ingegneri e tecnici si basano su di esso per la sua durata ed efficienza in ambienti ad alto stress.

2. A cosa serve il semiconduttore in carburo di silicio?

I semiconduttori in carburo di silicio vengono utilizzati per applicazioni ad alta potenza e ad alta temperatura.Viene utilizzato nei dispositivi di alimentazione per i veicoli elettrici per gestire l'energia in modo efficiente e in diodi e transistor trovati nelle tecnologie di energia rinnovabile e applicazioni ad alta potenza come i sistemi ferroviari.

3. Qual è l'applicazione di SIC in carburo di silicio?

Le applicazioni di carburo di silicio (sic) includono:

Elettronica di potenza: conversione e gestione efficienti.

Veicoli elettrici: prestazioni e gamma migliorate.

Inverter solari: aumento della produzione di energia e affidabilità.

Aerospace: componenti ad alta temperatura e ad alto stress.

Attrezzature industriali: parti forti e durature.

4. Quali prodotti sono realizzati in carburo di silicio?

I prodotti realizzati in carburo di silicio vanno da semiconduttori e dispositivi elettronici ad abrasivi, utensili da taglio e elementi di riscaldamento.Viene anche usato in armatura e attrezzatura protettiva per la sua durezza e resistenza termica.

5. Dove viene prodotto il carburo di silicio?

Il carburo di silicio è prodotto in strutture specializzate, principalmente negli Stati Uniti, China e in Europa.Le aziende gestiscono forni ad alta temperatura per sintetizzare SIC da materie prime come sabbia di quarzo e coca petrolifera.

6. Qual è la differenza tra silicio e carburo di silicio?

La differenza tra silicio e carburo di silicio sta nelle loro proprietà e applicazioni.Il silicio è un elemento puro utilizzato nei dispositivi a semiconduttore standard e nei pannelli solari, mentre il carburo di silicio è un composto noto per la sua durezza, alta conducibilità termica e capacità di funzionare a tensioni e temperature più elevate.Ciò rende SIC ideale per applicazioni ad alta potenza e ad alta temperatura, in cui il silicio fallirebbe.