Karbid křemíku odhalil: Vlastnosti, metody a aplikace

Tento článek zkoumá jedinečné vlastnosti SIC, včetně jeho struktury, tepelné odolnosti, chemické stability a mechanické pevnosti, což je lepší než tradiční materiály, jako je křemík, nitrid gallia a germanium.Rovněž se dívá různými způsoby, jak se produkuje SIC, jako je proces Acheson, depozice chemických párů a modifikovaný Lely proces a jak tyto metody zlepšují jeho čistotu a výkon pro průmyslové účely.Článek také porovnává elektrické, tepelné a mechanické vlastnosti SIC s jinými polovodiči a zdůrazňuje jeho rostoucí využití na trzích, které vyžadují vysokou hustotu výkonu, tepelnou účinnost a trvanlivost.

Katalog

Obrázek 1: Detail ženské ruky drží křemíkový karbid (SIC) krystal (aka carborundum nebo moissanite)

Vlastnosti karbidu křemíku (SIC)

Obrázek 2: Karbid křemíku v Petriho misce

Nejběžnější formou karbidu křemíku je karbid alfa silikonu (a-SiC).Tvoří se při teplotách nad 1700 ° C a má tvar hexagonárního krystalu, jako je Wurtzite.Když je teplota pod 1 700 ° C, vytvoří se beta křemíkový karbid (β-SiC).Tato verze má krystalovou strukturu podobnou struktuře diamantu.

Obrázek 3: Karbid alfa křemíku (a-SiC)

Obrázek 4: Karbid křemíku beta (β-SiC)

Obrázek 5: Měřítko tvrdosti Mohs

Karbid křemíku je jedním z nejtěžších materiálů po diamantu s tvrdostí Mohs asi 9 až 9,5. Jeho tvrdost knoopu se může lišit v závislosti na jeho formě a čistotě, ale je obecně velmi vysoká, často mezi 2 480 a 3 000 kg/mm².

Karbid křemíku vydrží velmi vysoký tlak, často nad 3 000 MPa, má vysokou ohybovou pevnost, obvykle mezi 400 a 500 MPa a má dobrou tahovou sílu mezi 250 a 410 MPa.

Tvrdost Testovací metody	Test Rozsah hodnot	Konkrétní Hodnoty (černý křemíkový karbid)	Konkrétní Hodnoty (zelený karbid křemíku)
Tvrdost Brinell	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickersova tvrdost	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell tvrdost	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs tvrdost	9-9,5	9.2-9.3	9.4-9,5

SIC vede teplo dobře, s tepelným vodivost asi 120 w/mk, což je skvělé pro Správa tepla v elektronice.Při 20 ° C provádí teplo asi 0,41 wattů Centétr na stupeň Celsia (W/cm ° C).Ale když teplota stoupá 1000 ° C, jeho tepelné vedení klesá na přibližně 0,21 W/cm ° C.

Kromě toho je křemíkový karbid (SIC) rychle ovlivněn většinou kovů, roztavy oxidu kovů a alkalickými taveninami, ale nerozpustí se v kyselinách nebo základech.Nečistoty v technickém karbidu křemíku obvykle zahrnují volný uhlík (C) a oxid křemík (SIO2), s malým množstvím křemíku (SI), železa (Fe), hliníku (AL) a vápníkem (CA).Molekulová hmotnost SIC je 40,096.Čistý SIC je vyroben ze 70,05% křemíku (SI) a 29,95% uhlíku (C).

Obrázek 6: Chemická struktura křemíku (SIC)

Obrázek 7: Chemická struktura křemíku (SIC)

Vlastnosti typu N a P-typu křemíku karbidu (SIC)

Karbid křemíku N-typu (SIC)

Karbid Silicon (SIC) je tvrdý materiál používaný ve vysoce stresových aplikacích, protože dobře zpracovává teplo a je velmi silné.Aby se vytvořil typ N, jsou přidány nečistoty, proces zvaný doping, který mění jeho elektrické vlastnosti.Prvky jako dusík nebo fosfor, které mají více valenčních elektronů než křemík, se přidávají ke zvýšení počtu volných elektronů ve struktuře SIC.To vytváří negativně nabitý nebo „n-typ“ materiál.

Tyto volné elektrony výrazně zlepšují elektrickou vodivost SIC.U typu N sic se elektrony mohou pohybovat snadněji ve srovnání s čistým SIC, kde je jejich pohyb omezený.Tento lepší pohyb elektronů dělá N-typ sic ideální pro energetickou elektroniku a vysokofrekvenční zařízení, kde rychlý a efektivní tok elektronů.Zatímco N-typ SIC má lepší vodivost, neprovádí elektřinu ani kovy a udržuje své polovodivé vlastnosti.Tato rovnováha umožňuje přesnou kontrolu toku elektronů v různých elektronických zařízeních.

Klikonový karbid typu P (sic)

Silikonový karbid typu P (SIC) funguje jinak od verze typu N.Doping typu p zahrnuje přidání prvků jako boron nebo hliník, které mají méně valenčních elektronů než křemík.To vytváří „otvory“ nebo prostory, kde chybí elektrony, což dává materiálu pozitivní náboj a vytváří ho „typ P“.Tyto otvory pomáhají nést elektrický proud tak, že umožňují přesun pozitivních nábojů.

Proč silikonový karbid (SIC) preferoval?

Obrázek 8: polovodičové materiály

Níže uvedená tabulka poskytuje podrobné srovnání čtyř polovodičových materiálů: křemík (SI), nitrid gallia (GAN), germanium (GE) a karbid křemíku (SIC).Srovnání je uspořádáno do různých kategorií.

Aspekt	Křemík (Si)	Gallium Nitride (GAN)	Germanium (GE)	Křemík Carbide (sic)
Elektrické vlastnosti	Zralé procesy, bandgap 1,1 eV, omezené ve vysoce výkonné/frekvenci	Vysoká mobilita elektronů, 3,4 eV bandgap, Aplikace s vysokým výkonem/frekvencí	Vysoká mobilita elektronů, 0,66 ev bandgap, vysoká únik	Široká bandgap 3,2 eV, efektivní na vysoké úrovni napětí/tempy, nízký únik
Tepelné vlastnosti	Mírná tepelná vodivost, může omezit Využité použití	Lepší než křemík, ale vyžaduje pokročilé chlazení	Nižší tepelná vodivost než křemík	Vysoká tepelná vodivost, efektivní teplo rozptyl
Mechanické vlastnosti	Křehké, dostatečné pro většinu použití	Křehký, náchylný k praskání na neshodě substráty	Více křemík než křemík	Tvrdý, silný, vhodný pro vysokou odolnost Aplikace
Přijetí trhu	Dominantní kvůli zavedené infrastruktuře a nízké náklady	Populární v telekomunikaci a obraně, omezený vysoké náklady	Omezeno kvůli méně příznivým vlastnostem	Vysoká hustota výkonu, provoz s vysokou teplotou, účinnost, trvanlivost, pokračující snižování nákladů

Výroba křemíkového karbidu (sic)

Chcete-li vyrobit křemíkový karbid, obvykle zahříváte křemičitý písek a věci bohaté na uhlí, jako je uhlí téměř 2500 stupňů Celsia.To vám dává tmavší karbid křemíku s některými nečistotami železa a uhlíku.Karbid křemíku může být syntetizován čtyřmi hlavními metodami, z nichž každá má odlišné výhody přizpůsobené pro konkrétní použití.Tyto metody zahrnují:

Reakce vázaný křemíkový karbid (RBSC)

Reakční křemíkový karbid (RBSC) je vyroben z jemně smíšené směsi křemíkového karbidu a uhlíku.Směs se zahřívá na vysokou teplotu a je vystavena kapalnému nebo párnímu křemíku.Křemík a uhlík reagují na vytvoření více křemíkového karbidu a křemík vyplňuje jakékoli zbylé póry.Stejně jako reakční nitrid křemíku (RBSN), RBSC se během slinování mění velmi málo.Když se tyto produkty dostanou do bodu tání křemíku, zůstanou téměř stejně silné jako předtím.RBSC je populární v keramickém průmyslu, protože je nákladově efektivní a může být tvarován do komplexních návrhů.

Obrázek 9: Reakce vázaný křemíkový karbid

Reakční procedura vázaného křemíku (RBSC):

Kombinujte hrubé částice karbidu křemíku s křemíkem a změkčovači.Smíchejte, dokud není dosaženo jednotné směsi;

Směs stroste do požadovaných tvarů a tvarů.Zajistěte přesnost v geometrii tak, aby odpovídala konečným specifikacím;

Umístěte tvarované kousky do pece s vysokou teplotou.Teplo na teplotu, která způsobuje reakci mezi částicemi karbidu křemíku a křemíku;

Křemík reaguje s karbidem křemíku, spojuje se na matrici a zvyšuje pevnost a trvanlivost;

Nechte kousky postupně vychladnout na teplotu místnosti;

Vyleštěte chlazené kousky tak, aby splňovaly přesné specifikace a zvýšily povrchovou úpravu.

Modifikovaný proces Lely

Obrázek 10: Modifikovaný proces Lely

Metoda, vytvořená v roce 1978 Tairovem a Tsvetkovem, se také nazývá metoda Modified Lily.Modifikovaný proces Lely zlepšuje syntézu krystalů karbidu křemíku.Zahrnuje to vytápění a poté chlazení sic prášku v polo uzavřené nádobě, což mu umožňuje vytvořit krystaly na semeni, které je udržováno při mírně chladnější teplotě.

Modifikovaný postup Lely Proces:

Důkladně smíchejte křemík a uhlíkové prášky.Umístěte směs do grafitového kelímku;

Umístěte kelímku do pece.Teplo na přibližně 2000 ° C ve vakuu nebo inertním plynovém prostředí, aby se zabránilo oxidaci;

Směs karbidu křemíku se sublimatuje, mění se z pevné na plyn.

Silicon Carbide Vapors vložte na centrálně umístěnou grafitovou tyč.Na tyčce se tvoří sic sic sic Crystaly.

Opatrně ochlaďte systém na teplotu místnosti.

Extrahujte vysoce čisté krystaly karbidu křemíku z grafitové tyče pro použití v high-tech aplikacích.

Depozice chemických par (CVD)

Obrázek 11: Chemická depozice par (CVD)

Při metodě chemické depozice páry (CVD) k výrobě křemíkového karbidu (SIC) při teplotách mezi 1073 a 1473 K. změnou nastavení chemické reakce bylo použito reaktivní silanové sloučeniny, vodík a dusík.být ovládán.V procesu CVD pro křemíkový karbid, vodík a rozbitý methyltrichlorosilan (MTS) se mísí na povrchu při vysoké teplotě a nízkém tlaku, aby se vytvořila kontrolovaná vrstva hustého karbidu křemíku.

Postup chemické depozice par (CVD):

Jako primární chemické zdroje připravte křemíkový tetrachlorid (SICL4) a metan (CH4);

Umístěte křemíkový tetrachlorid a metan do vysokoteplotního reaktoru;

Zahřejte reaktor na požadovanou teplotu k zahájení chemických reakcí;

Prostředí s vysokou teplotou způsobuje reakce mezi křemíkovým tetrachloridem a metanem.Tyto reakce tvoří křemíkový karbid (SIC);

Křemíkový karbid tvoří a usazuje na požadované substráty v reaktoru;

Nechte reaktor a jeho obsah postupně vychladnout;

Extrahujte potažené substráty nebo komponenty.Provádět jakékoli dokončovací procesy pro splnění konečných specifikací.

Proces Achesonu

Obrázek 12: Proces Acheson

Nejběžnějším způsobem, jak vytvořit SIC, je Achesonova metoda.Edward Goodrich Acheson vytvořil tento proces v roce 1893, aby produkoval sic a grafit.Mnoho rostlin karbidu křemíku tuto metodu od té doby používá.

Postup procesu Acheson:

Důkladně smíchejte křemičitý písek s koksem;

Uspořádejte směs kolem centrální grafitové tyče v elektrické odporové peci;

Zahřejte pec na téměř 2500 ° C.Udržujte teplotu pro řízení chemické reakce;

Intenzivní teplo způsobuje, že oxid křemičitý a uhlík reaguje a vytváří karbid křemíku;

Nechte pec postupně vychladnout;

Extrahujte vytvořený křemíkový karbid z pece;

Dále zpracovávejte křemíkový karbid, kdykoli je to potřeba.

Tato tabulka poskytuje zjednodušené srovnání čtyř metod používaných k výrobě křemíkového karbidu (SIC).Jeho cílem je pomoci pochopit jedinečné výhody a nejlepší využití každé produkční techniky.

Metoda	Výhody	Nejlepší Použití
Reakce vázaný křemíkový karbid (RBSC)	Dělá silné a odolné části Dobré pro složité tvary Malá deformace	Pásování brnění, vysoce výkonné trysky
Modifikovaný proces Lely	Velmi čisté krystaly Perfektní struktura Lepší kontrola nad tímto procesem	Polovodiče, kvantové výpočetní techniky
Depozice chemických par (CVD)	Dokonce složení Vysoká čistota Může používat různé materiály	Povlaky odolné vůči opotřebení, odolné vůči korozi povlaky, polovodičový průmysl
Proces Achesonu	Jednoduché a nízké náklady Může produkovat velké množství Konzistentní, vysoce kvalitní krystaly	Abrazivy, refrakterní materiály

Křemíkový karbid (SIC) v moderních aplikacích

V automobilovém průmyslu, zejména u elektrických vozidel, SIC zlepšuje výkon střídače a zvyšuje menší systémy pro správu baterií, rozšiřuje se rozsah vozidel a náklady na řezání.Goldman Sachs odhaduje, že tato vylepšení by mohla ušetřit asi 2 000 $ za vozidlo.

Obrázek 13: Disková brzda na křemíku

Ve sluneční energii zvyšuje SIC účinnost střídače, což umožňuje vyšší rychlosti přepínání, což snižuje velikost obvodu a náklady.Jeho trvanlivost a stabilní výkon ztěžují pro solární aplikace lepší než materiály, jako je nitrid gallia.

Obrázek 14: SIC pro solární energetické systémy

V telekomunikacích umožňuje SIC vynikající tepelné řízení zařízení zvládnout vyšší hustoty výkonu, zlepšovat výkon v buněčných základních stanicích a podporovat zavádění 5G.Tato pokrok splňuje potřebu lepší výkonnosti a energetické účinnosti v bezdrátové komunikaci příští generace.

Obrázek 15: Karbid křemíku třetí generace

V průmyslových nastaveních odolá sic drsná prostředí a vysoká napětí, což umožňuje efektivní návrhy s menším chlazením, vyšší efektivitou a nižšími náklady, zvyšuje výkon systému.

Obrázek 16: výroba oceli s křemíkovým karbidem

V obraně a letectví se SIC používá v radarových systémech, kosmických vozidlech a elektronice letadel.Složky SIC jsou lehčí a efektivnější než křemík, nejlepší pro kosmické mise, kde snižování nákladů na váhu.

Obrázek 17: Produkce a aplikace SIC End-to-End

Závěr

Karbid Silicon (SIC) se stává materiálem pro mnoho vysoce popsaných aplikací kvůli jeho vynikajícím vlastnostem a vylepšeným výrobním technikám.Díky své široké bandgap, velké tepelné vodivosti a silnými mechanickými vlastnostmi je SIC ideální pro tvrdá prostředí, která vyžadují vysokou energii a tepelnou odolnost.Podrobný pohled článku na produkční metody SIC ukazuje, jak pokrok ve vědě o materiálu umožňuje přizpůsobení vlastností SIC pro uspokojení specifických průmyslových potřeb.Jak se průmyslová odvětví pohybují směrem k efektivnějším a kompaktnějším zařízením, hraje SIC roli v automobilových, slunečních energii, telekomunikacích a leteckých technologiích.Očekává se, že pokračující výzkum ke snížení nákladů a zlepšení kvality SIC zvýší její tržní přítomnost a posílí svou důležitou roli v budoucnosti polovodičových materiálů a vysoce výkonných aplikací.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Kdo používá křemíkový karbid?

Karbid Silicon používá průmyslová odvětví a odborníci pracující v elektronice, automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu a výrobě.Inženýři a technici se na to spoléhají na svou trvanlivost a efektivitu ve vysoce stresových prostředích.

2. K čemu se používá polovodič křemíku karbidu?

Silikonové karbidové polovodiče se používají pro vysoce výkonné a vysokoteplotní aplikace.Používá se v energetických zařízeních pro elektrická vozidla k efektivnímu řízení energie a v diodech a tranzistorech nalezených v technologiích obnovitelné energie a vysokých aplikacích, jako jsou železniční systémy.

3. Jaká je aplikace SiC křemíkového karbidu?

Aplikace křemíkového karbidu (SIC) zahrnují:

Power Electronics: Efektivní přeměna a řízení energie.

Elektrická vozidla: Vylepšený výkon a rozsah.

Sluneční střídače: Zvýšený výkon a spolehlivost energie.

Aerospace: Komponenty s vysokou teplotou a vysokých stresu.

Průmyslové vybavení: Silné a dlouhodobé díly.

4. Jaké produkty jsou vyrobeny z křemíkového karbidu?

Výrobky vyrobené z křemíkového karbidu se pohybují od polovodičů a elektronických zařízení po abraziva, řezání nástrojů a topných prvků.Používá se také v brnění a ochranném vybavení kvůli jeho tvrdosti a tepelnému odporu.

5. Kde se vyrábí křemíkový karbid?

Karbid Silicon se vyrábí ve specializovaných zařízeních, především ve Spojených státech, China a Evropě.Společnosti provozují vysokoteplotní pece, aby syntetizovaly sic ze surovin, jako je křemenný písek a ropný koks.

6. Jaký je rozdíl mezi křemíkem a křemíkovým karbidem?

Rozdíl mezi křemíkovým a křemíkovým karbidem spočívá v jejich vlastnostech a aplikacích.Křemík je čistý prvek používaný ve standardních polovodičových zařízeních a solárních panelech, zatímco křemíkový karbid je sloučenina známá pro svou tvrdost, vysokou tepelnou vodivost a schopnost pracovat při vyšších napětích a teplotách.Díky tomu je SIC ideální pro vysoce výkonné a vysokoteplotní aplikace, kde by křemík selhal.