Кремниевый карбид представлен: свойства, методы и приложения

В этой статье рассматриваются уникальные качества SIC, включая его структуру, теплостойкость, химическую стабильность и механическую прочность, которые делают его лучше, чем традиционные материалы, такие как кремний, нитрид галлия и германия.Он также рассматривает различные способы создания SIC, таких как процесс Acheson, химическое осаждение паров, и модифицированный процесс LELE, а также то, как эти методы улучшают его чистоту и производительность в промышленных целях.В статье также сравниваются электрические, тепловые и механические свойства SIC с другими полупроводниками, подчеркивая его растущее использование на рынках, которые нуждаются в высокой плотности мощности, тепловой эффективности и долговечности.

Каталог

Рисунок 1: Крупным планом женщины -руку, держащей карбид кремниевого карбида (sic) кристалл (он же карборундум или мойссанит)

Кремниевые карбид (sic) свойства

Рисунок 2: Карбид кремния в чашечке Петри

Наиболее распространенной формой карбида кремния является альфа-силиконовый карбид (α-SIC).Он образуется при температуре более 1700 ° C и имеет шестиугольную форму кристалла, такую ​​как вюрцзит.Когда температура ниже 1700 ° C, продуцируется бета-кремниевый карбид (β-SIC).Эта версия имеет кристаллическую структуру, аналогичную структуре алмаза.

Рисунок 3: карбид альфа-кремния (α-SIC)

Рисунок 4: Бет-силиконовый карбид (β-SIC)

Рисунок 5: Шкала твердости MOHS

Карбид кремния является одним из самых сложных материалов после алмаза, с твердостью МОСС от 9 до 9,5. Его жесткость кнупа может варьироваться в зависимости от его формы и чистоты, но, как правило, она очень высока, часто от 2480 до 3000 кг/мм².

Кремниевый карбид может выдерживать очень высокое давление, часто более 3000 МПа, имеет высокую прочность на изгиб, обычно от 400 до 500 МПа, и имеет хорошую прочность на тягу, от 250 до 410 МПа.

Твердость Методы тестирования	Тест Диапазон значений	Специфический Значения (карбид черного кремния)	Специфический Значения (зеленый кремниевый карбид)
Бринелл твердость	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Виккерс твердость	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Роквелл твердость	-	83-87 Hra	87-92 HRA
Мохс твердость	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC хорошо проводит тепло, с термическим проводимость около 120 Вт/мк, что делает его отличным для Управление теплом в электронике.При 20 ° C он проводит тепло при примерно 0,41 Вт. на сантиметр на градус Цельсия (W/см ° C).Но когда температура поднимается до 1000 ° C, его теплопроводящее средство падает примерно до 0,21 W/см ° C.

Кроме того, кремниевый карбид (SIC) быстро влияет большинство металлов, раста оксид металлов и щелочные расплавы, но он не растворяется в кислотах или основаниях.Примеси в техническом карбиде кремния обычно включают свободный углерод (C) и диоксид кремния (SIO2), с небольшим количеством кремния (Si), железа (Fe), алюминия (Al) и кальцием (CA).Молекулярный вес SIC составляет 40,096.Чистый SIC изготовлен из 70,05% кремния (SI) и 29,95% углерода (C).

Рисунок 6: Химическая структура кремниевого карбида (sic)

Рисунок 7: Химическая структура кремниевого карбида (sic)

Свойства n-типа и P-типа карбид кремния (SIC)

N-тип кремний карбид (sic)

Силиконовый карбид (sic)-это жесткий материал, используемый в приложениях с высоким уровнем стресса, потому что он хорошо обрабатывает тепло и очень силен.Чтобы сделать N-тип SIC, добавляются примеси, процесс, называемый допингом, который меняет свои электрические свойства.Такие элементы, как азот или фосфор, которые имеют больше валентных электронов, чем кремния, добавляются, чтобы увеличить количество свободных электронов в структуре SIC.Это создает отрицательно заряженный или «n-тип» материал.

Эти свободные электроны значительно улучшают электрическую проводимость SIC.В SIC N-типа электроны могут двигаться легче по сравнению с чистым SIC, где их движение ограничено.Это лучшее движение электронов делает N-тип SIC идеальным для электроники и высокочастотных устройств, где быстрый и эффективный поток электронов.В то время как SIC N-типа имеет лучшую проводимость, он не проводит как электроэнергию, так и металлы, поддерживая свои полупроводящие свойства.Этот баланс позволяет точно управлять потоком электронов в различных электронных устройствах.

Карбид кремния P-типа (sic)

Кремниевый карбид P-типа (SIC) отличается от его версии N-типа.Допинг P-типа включает добавление элементов, таких как бор или алюминий, которые имеют меньше валентных электронов, чем кремний.Это создает «отверстия» или пространства, где пропало электроны, что дает материалу положительный заряд и делает его «P-типом».Эти отверстия помогают переносить электрический ток, позволяя перемещаться положительные заряды.

Почему карбид кремния (sic) предпочитал?

Рисунок 8: Полупроводниковые материалы

В таблице ниже приведены подробное сравнение четырех полупроводниковых материалов: кремний (SI), нитрид галлия (GAN), германия (GE) и карбид кремния (SIC).Сравнение организовано в разные категории.

Аспект	Кремний (SI)	Галлия Нитрид (ган)	Германия (GE)	Кремний Карбид (так)
Электрические свойства	Зрелые процессы, полосатая полоса 1,1 эВ, ограниченный в мощной/частоте	Высокая мобильность электронов, 3,4 эВ -зона, мощные/частотные приложения	Высокая мобильность электронов, 0,66 эВ. утечка	Широкая полосатая полоса 3,2 эВ, эффективная на высоком уровне напряжения/температура, низкая утечка
Тепловые свойства	Умеренная теплопроводность, может ограничить мощное использование	Лучше, чем кремний, но требует продвинутого охлаждение	Более низкая теплопроводность, чем кремний	Высокая теплопроводность, эффективное тепло рассеяние
Механические свойства	Хрупкий, достаточный для большинства видов использования	Хрупкий, склонный к треску на несоответствующих субстраты	Более хрупкий, чем кремний	Жесткий, сильный, подходящий для высокой продолжительности приложения
Принятие рынка	Доминирует из -за установленной инфраструктуры и низкая стоимость	Популярный в телекоммуникациях и защите, ограниченным высокая стоимость	Ограничено из -за менее благоприятных свойств	Высокая плотность мощности, высокая температура, эффективность, долговечность, постоянное снижение затрат

Создание карбида кремния (sic)

Чтобы сделать карбид кремния, вы обычно нагреваете кремнеземный песок и богатый углеродом, такие как уголь, почти до 2500 градусов по Цельсию.Это дает вам более темный кремниевый карбид с некоторыми примесями железа и углерода.Кремниевый карбид может быть синтезирован с помощью четырех основных методов, каждый из которых имеет различные преимущества, адаптированные для конкретного использования.Эти методы включают в себя:

Реакция скрепленного кремниевого карбида (RBSC)

Кремниевый карбид с реакцией (RBSC) изготовлен из тонко смешанной смесью карбида и углерода кремния.Смесь нагревают до высокой температуры и подвергается воздействию кремния жидкости или пара.Кремний и углерод реагирует на образование большего количества карбида кремния, а кремний заполняет любые оставшиеся поры.Подобно реакционно-связанному нитриду кремния (RBSN), RBSC меняет форму очень мало во время спекания.Когда эти продукты попадают в точку плавления кремния, они остаются почти такими же сильными, как и раньше.RBSC популярен в керамической промышленности, потому что он экономически эффективен и может быть сформирован в сложные проекты.

Рисунок 9: Кремниевый карбид с реакцией

Реакция Связанная кремниевая карбид (RBSC) Процедура:

Смешайте грубые кремниевые частицы карбида с кремниевыми и пластификаторами.Смешайте, пока не будет достигнута равномерная смесь;

Оставьте смесь в нужные формы и формы.Обеспечить точность в геометрии, чтобы соответствовать окончательным спецификациям;

Поместите кусочки формы в высокотемпературную печь.Нагревать до температуры, которая вызывает реакцию между частицами карбида кремния и кремния;

Кремний реагирует с карбидом кремния, связываясь с матрицей и увеличивая прочность и долговечность;

Позвольте кускам постепенно остывать до комнатной температуры;

Поличите охлажденные кусочки, чтобы соответствовать точным спецификациям и улучшить поверхностную отделку.

Модифицированный процесс Lely

Рисунок 10: Модифицированный процесс Lely

Созданный в 1978 году Тайровым и Цветкова, метод также называется методом модифицированного ливика.Модифицированный процесс Lely улучшает синтез кристаллов карбида кремния.Он включает в себя нагрев, а затем охлаждение порошка SIC в полузакрытом контейнере, что позволяет ему образовывать кристаллы на семени, которое сохраняется при немного более холодной температуре.

Модифицированная процедура процесса Lely:

Тщательно смешайте кремниевые и углеродные порошки.Поместите смесь в графитовый тиг;

Поместите тиг в печи.Тепло до приблизительно 2000 ° C в вакуумной или инертной газовой среде для предотвращения окисления;

Смесь из карбида кремния подсорится, переходящая от твердого на газ.

Кремниевые карбид -пары осаждают на центрально расположенный графитный стержень.Монокристаллы высокой чистоты образуются на стержне.

Осторожно охладить систему до комнатной температуры.

Извлеките кристаллы карбида с высокой чистотой карбидом из графитового стержня для использования в высокотехнологичных приложениях.

Химическое осаждение паров (сердечно -сосудистые заболевания)

Рисунок 11: Химическое осаждение паров (ССЗ)

Реактивное силановое соединение, водород и азот использовали в методе химического осаждения пара (CVD) для получения кремниевого карбида (sic) при температурах между 1073 и 1473 К. При изменении настройки химической реакции, косметика и твердость отложения могутконтролироваться.В процессе CVD для карбида кремния водород и сломанный метилтрихлорзилан (MTS) смешиваются на поверхности при высокой температуре и низком давлении, чтобы создать контролируемый слой плотного кремниевого карбида.

Процедура химического осаждения пара (CVD):

Приготовьте кремниевый тетрахлорид (SICL4) и метана (CH4) в качестве основных химических источников;

Поместите кремниевый тетрахлорид и метан в высокотемпературный реактор;

Нагрейте реактор до необходимой температуры, чтобы инициировать химические реакции;

Высокотемпературная среда вызывает реакции между тетрахлоридом кремния и метаном.Эти реакции образуют кремниевый карбид (sic);

Кремниевый карбид образуется и откладывает на желаемые субстраты в реакторе;

Позвольте реактору и его содержимому постепенно остывать;

Извлеките покрытые подложки или компоненты.Проведите любые процессы отделки, чтобы соответствовать окончательным спецификациям.

Ачесон процесс

Рисунок 12: Процесс Acheson

Наиболее распространенным способом создания SIC является метод Acheson.Эдвард Гудрич Ачесон создал этот процесс в 1893 году для производства SIC и графита.Многие кремниевые карбидные растения с тех пор используют этот метод.

Процедура процесса Acheson:

Тщательно смешать кремнезый песок с кока -колой;

Расположите смесь вокруг центрального графитового стержня в печи электрической сопротивления;

Нагрейте печь почти до 2500 ° C.Поддерживать температуру, чтобы управлять химической реакцией;

Интенсивное тепло приводит к реагированию кремния и углероду, образуя кремниевый карбид;

Позвольте печи постепенно остывать;

Извлеките образованный кремниевый карбид из печи;

Далее обрабатывать карбид кремния, когда это необходимо.

Эта таблица обеспечивает упрощенное сравнение четырех методов, используемых для производства карбида кремния (SIC).Он направлен на то, чтобы помочь понять уникальные преимущества и наилучшее использование каждой техники производства.

Метод	Преимущества	Лучший Использование
Реакция скрепленного кремниевого карбида (RBSC)	Делает прочные, прочные детали Хорошо для сложных форм Маленькая деформация	Броня, высокопроизводительные сопла
Модифицированный процесс Lely	Очень чистые кристаллы Идеальная структура Лучший контроль над процессом	Полупроводники, квантовые вычисления
Химическое осаждение паров (сердечно -сосудистые заболевания)	Даже композиция Высокая чистота Может использовать разные материалы	Износостойкие покрытия, устойчивые к коррозии покрытия, полупроводниковая промышленность
Ачесон процесс	Простая и низкая стоимость Может производить большие суммы Последовательные, высококачественные кристаллы	Абразивы, рефрактерные материалы

Кремниевый карбид (sic) в современных применениях

В автомобильной промышленности, особенно для электромобилей, SIC повышает производительность инвертора и делает системы управления аккумуляторами меньше, расширяя диапазон транспортных средств и сокращение затрат.По оценкам Goldman Sachs, эти улучшения могут сэкономить около 2000 долларов за транспортное средство.

Рисунок 13: Тормоз карбида кремниевого карбида

При солнечной энергии SIC повышает эффективность инвертора, позволяя более высокой скорости переключения, что снижает размер и затраты схемы.Его долговечность и стабильная производительность делают его лучше, чем такие материалы, как нитрид галлия для солнечных применений.

Рисунок 14: SIC для систем солнечной энергии

В телекоммуникациях SIC превосходное тепловое управление позволяет устройствам обрабатывать более высокую плотность мощности, повысить производительность на сотовых базовых станциях и поддерживая развертывание 5G.Эти достижения удовлетворяют необходимости лучшей производительности и энергоэффективности в беспроводной связи следующего поколения.

Рисунок 15: Полупроводник кремниевого карбида третьего поколения

В промышленных условиях SIC выдерживает суровые среды и высокие напряжения, позволяя оптимизированным конструкциям с меньшим охлаждением, более высокой эффективностью и более низкими затратами, повышая производительность системы.

Рисунок16: Сталь с кремниевым карбидом

В обороне и аэрокосмической промышленности SIC используется в радиолокационных системах, космических транспортных средствах и электронике самолетов.Компоненты SIC легче и эффективнее, чем кремний, лучше всего для космических миссий, где снижение затрат на снижение веса.

Рисунок 17: Средняя производство и применение SIC

Заключение

Кремниевый карбид (SIC) становится материалом для многих применений с высоким спросом из-за его превосходных свойств и улучшенных методов производства.Благодаря широкому полосу, большой теплопроводности и сильным механическим свойствам, SIC идеально подходит для жестких сред, которые нуждаются в высокой мощности и теплостойкости.Подробный взгляд на методы производства SIC в статье показывает, как достижения в области материальной науки позволяют настраивать свойства SIC для удовлетворения конкретных промышленных потребностей.По мере того, как отрасли движутся к более эффективным и компактным устройствам, SIC играет роль в автомобильной, солнечной энергии, телекоммуникациях и аэрокосмических технологиях.Ожидается, что текущие исследования по снижению затрат и повышению качества SIC увеличат его присутствие на рынке, усиливая его важную роль в будущем полупроводниковых материалов и высокопроизводительных применениях.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Кто использует карбид кремния?

Карбид кремния используется отраслями и профессионалами, работающими в электронике, автомобильной, аэрокосмической и производстве.Инженеры и техники полагаются на это за долговечность и эффективность в среде высокого стресса.

2. Для чего используется полупроводник из карбида кремния?

Кремниевые карбид полупроводники используются для мощных и высокотемпературных применений.Он используется в силовых устройствах для электромобилей для эффективного управления энергопотреблением, а также в диодах и транзисторах, найденных в технологиях возобновляемой энергии и мощных приложениях, таких как железнодорожные системы.

3. Каково применение кремниевого карбида SIC?

Применение карбида кремния (sic) включает в себя:

Силовая электроника: эффективное преобразование энергии и управление.

Электромобили: повышенная производительность и диапазон.

Солнечные инверторы: увеличение выработки энергии и надежность.

Aerospace: высокотемпературные и высокие компоненты.

Промышленное оборудование: прочные и долговечные детали.

4. Какие продукты изготовлены из карбида кремния?

Продукты, изготовленные из кремниевого карбида, варьируются от полупроводников и электронных устройств до абразивов, режущих инструментов и элементов отопления.Он также используется в доспехах и защитной передаче из -за его твердости и термического сопротивления.

5. Где производится карбид кремния?

Силиконовый карбид производится в специализированных объектах, в основном в Соединенных Штатах, China и Европе.Компании эксплуатируют высокотемпературные печи для синтеза SIC из сырья, такого как кварцевый песок и нефтяной кокс.

6. В чем разница между карбидом кремния и кремния?

Разница между карбидом кремния и кремния заключается в их свойствах и приложениях.Кремний является чистым элементом, используемым в стандартных полупроводниковых устройствах и солнечных панелях, в то время как карбид кремния является соединением, известным благодаря его твердости, высокой теплопроводности и способности работать при более высоких напряжениях и температурах.Это делает SIC идеальным для мощных и высокотемпературных применений, где кремний потерпит неудачу.