Акритиран силициев карбид: свойства, методи и приложения

Тази статия изследва уникалните качества на SIC, включително неговата структура, топлинна устойчивост, химическа стабилност и механична якост, които го правят по -добър от традиционните материали като силиций, галиев нитрид и германий.Той също така се разглежда в различни начини SIC се произвежда като процеса на Acheson, отлагането на химически пари и модифицирания процес на Lely и как тези методи подобряват неговата чистота и ефективност за индустриални цели.Статията също така сравнява електрическите, термичните и механичните свойства на SIC с други полупроводници, подчертавайки нарастващата му употреба на пазарите, които се нуждаят от висока плътност на мощността, топлинна ефективност и издръжливост.

Каталог

Фигура 1: Отблизо на женската ръка, която държи силициев карбид (SIC) кристал (известен още като карборунд или мосанит)

Силициев карбид (SIC) свойства

Фигура 2: Силиконов карбид в Петри ястие

Най-честата форма на силициев карбид е алфа силициев карбид (α-SIC).Той се образува при температури над 1700 ° C и има шестоъгълна кристална форма като Wurtzite.Когато температурата е под 1700 ° C, се получава бета силициев карбид (β-SIC).Тази версия има кристална структура, подобна на тази на диамант.

Фигура 3: Алфа силициев карбид (α-SIC)

Фигура 4: Бета силициев карбид (β-SIC)

Фигура 5: Скалата за твърдост на MOHS

Силиконов карбид е един от най -трудните материали след диаманта, с твърдост на MOHS от около 9 до 9.5. Твърдостта му на Knoop може да варира в зависимост от формата и чистотата му, но като цяло е много висока, често между 2,480 и 3000 кг/мм².

Силиконов карбид може да издържи много високо налягане, често над 3000 MPa, има висока якост на огъване, обикновено между 400 и 500 MPa и има добра якост на дърпане, между 250 и 410 MPa.

Твърдост Методи за тестване	Тест Диапазон на стойността	Специфично Стойности (черен силициев карбид)	Специфично Стойности (зелен силициев карбид)
Твърдост на Бринел	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Твърдост на Викерс	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Твърдост на Рокуел	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Твърдостта на Мохс	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC провежда топлината добре, с термичен проводимост от около 120 w/mk, което го прави чудесно за Управление на топлината в електрониката.При 20 ° C той провежда топлина при около 0,41 вата на сантиметър на градус по Целзий (w/cm ° C).Но когато температурата се повиши 1000 ° C, топлинната му проводимост пада до около 0,21 W/cm ° C.

Освен това, силициевият карбид (SIC) бързо се влияе от повечето метали, стопяването на металния оксид и алкалната стопилка, но не се разтваря в киселини или основи.Примесите в техническия силициев карбид обикновено включват свободен въглерод (С) и силициев диоксид (SiO2), с малки количества силиций (SI), желязо (Fe), алуминий (Al) и калций (CA).Молекулното тегло на SIC е 40.096.Чистият SIC е изработен от 70.05% силиций (SI) и 29,95% въглерод (С).

Фигура 6: Химична структура на силициев карбид (SIC)

Фигура 7: Химична структура на силициев карбид (SIC)

Свойства на N-тип и P-тип силициев карбид (SIC)

N-тип силициев карбид (SIC)

Силиконов карбид (SIC) е труден материал, използван в приложения с висок стрес, тъй като се справя с топлината добре и е много силен.За да се направи N-тип, се добавят примеси, процес, наречен допинг, който променя електрическите му свойства.Елементи като азот или фосфор, които имат повече валентни електрони от силиций, се добавят, за да се увеличи броят на свободните електрони в структурата на SIC.Това създава отрицателно зареден или "N-тип" материал.

Тези свободни електрони значително подобряват електрическата проводимост на SIC.В N-тип SIC електроните могат да се движат по-лесно в сравнение с Pure SIC, където движението им е ограничено.Това по-добро движение на електрон прави N-тип SIC идеален за електроника за захранване и високочестотни устройства, където бърз и ефективен поток на електрон.Въпреки че N-тип SIC има по-добра проводимост, той не провежда електричество, както и метали, поддържайки своите полупроводими свойства.Този баланс позволява прецизен контрол на електронния поток в различни електронни устройства.

P-тип силициев карбид (SIC)

P-тип силициев карбид (SIC) работи по различен начин от неговата N-тип версия.P-тип допинг включва добавяне на елементи като бор или алуминий, които имат по-малко валентни електрони от силиций.Това създава "дупки" или пространства, където електроните липсват, като придава на материала положителен заряд и го прави "P-тип".Тези дупки помагат да се носят електрически ток, като позволяват да се движат положителни заряди.

Защо силициев карбид (SIC) предпочита?

Фигура 8: Полупроводникови материали

Таблицата по -долу предоставя подробно сравнение на четири полупроводникови материали: силиций (SI), галиев нитрид (GAN), германий (GE) и силициев карбид (SIC).Сравнението е организирано в различни категории.

Аспект	Силиций (SI)	Галий Нитрид (GAN)	Германий (GE)	Силиций Карбид (sic)
Електрически свойства	Зрели процеси, лента от 1,1 eV, ограничена В висока мощност/честота	Висока електронна подвижност, 3,4 eV лента, Приложения с висока мощност/честота	Висока електронна подвижност, 0,66 eV лента, висока изтичане	Широка лента от 3,2 eV, ефективна при високо напрежения/темпове, ниско изтичане
Топлинни свойства	Умерена топлинна проводимост, може да ограничи Използване на висока мощност	По -добре от силиций, но изисква напреднали охлаждане	По -ниска термична проводимост от силиций	Висока термична проводимост, ефективна топлина разсейване
Механични свойства	Чупливи, достатъчни за повечето приложения	Крехко, предразположено към пропукване на несъответствие субстрати	По -крехко от силиций	Твърд, силен, подходящ за висока резитивност приложения
Приемане на пазара	Доминиращ поради установената инфраструктура и ниска цена	Популярни в телекомуникационни и отбранителни, ограничени от Висока цена	Ограничени поради по -малко благоприятните имоти	Висока плътност на мощността, работа с висока температура, Ефективност, издръжливост, продължаващо намаляване на разходите

Изработка на силициев карбид (SIC)

За да направите силициев карбид, обикновено загрявате силициев пясък и богати на въглерод неща като въглища до почти 2500 градуса по Целзий.Това ви дава по -тъмен силициев карбид с малко желязо и въглеродни примеси.Силиконов карбид може да бъде синтезиран чрез четири основни метода, всеки с различни предимства, пригодени за конкретни приложения.Тези методи включват:

Реакционно свързано силиконов карбид (RBSC)

Реакционно свързаният силициев карбид (RBSC) е направен от фино смесена смес от силициев карбид и въглерод.Сместа се нагрява до висока температура и се излага на течен или пари от силиций.Силицийът и въглеродът реагират, за да образуват повече силициев карбид, а силицийът изпълва всички остатъчни пори.Подобно на свързания с реакция силициев нитрид (RBSN), RBSC променя формата си много малко по време на синтероване.Когато тези продукти стигнат до точката на топене на силиций, те остават почти толкова силни, колкото преди.RBSC е популярен в керамичната индустрия, тъй като е рентабилен и може да бъде оформен в сложни дизайни.

Фигура 9: Силиконов карбид, свързан с реакцията

Процедура на реакционно свързано силициев карбид (RBSC):

Комбинирайте груби частици от силициев карбид със силиций и пластификатори.Смесете, докато се постигне равномерна смес;

Машийте сместа в желаните форми и форми.Осигурете прецизност в геометрията, за да съответства на крайните спецификации;

Поставете оформените парчета във високотемпературна пещ.Топлина до температура, която причинява реакция между силициевите и силициевите карбидни частици;

Силицийът реагира със силициевия карбид, свързвайки се с матрицата и увеличаване на якостта и издръжливостта;

Оставете парчетата да се охлаждат постепенно до стайна температура;

Полирайте охладените парчета, за да отговаряте на точните спецификации и да подобрите повърхностното покритие.

Модифициран lely процес

Фигура 10: Модифициран процес на Лели

Създаден през 1978 г. от Тайров и Цветков, методът се нарича също методът на модифицирано един.Процесът на модифициран Lely подобрява синтеза на кристали на силициев карбид.Тя включва отопление и след това охлаждане на SIC прах в полузатворен контейнер, което му позволява да образува кристали върху семе, което се държи при леко по-хладна температура.

Модифицирана процедура на Lely Process:

Смесете старателно силиций и въглеродни прахове.Поставете сместа в графитен тигел;

Поставете тигела в пещ.Топлина до приблизително 2000 ° C във вакуум или инертен газ за предотвратяване на окисляване;

Сместа от силициев карбид сублимира, променяйки се от твърд в газ.

Силиконовите карбидни пари се отлагат върху централно разположен графитен прът.На пръчката се образуват високо чистота SIC единични кристали.

Внимателно охладете системата до стайна температура.

Извлечете кристалите на силициевия карбид с висока чистота от графитния прът за използване във високотехнологични приложения.

Химическо отлагане на пари (CVD)

Фигура 11: Химическо отлагане на пари (CVD)

Реактивно силаново съединение, водород и азот са използвани в метод за отлагане на химически пари (CVD) за получаване на силициев карбид (SIC) при температури между 1073 и 1473 K. Чрез промяна на настройките на химическата реакция, гримът и твърдостта на депозита могатда бъде контролиран.В процеса на CVD за силициев карбид, водород и разрушено метилтрихлоросилан (MTS) се смесват на повърхност при висока температура и ниско налягане, за да се създаде контролиран слой от плътен силиконов карбид.

Процедура на химическо отлагане на пари (CVD):

Пригответе силиконов тетрахлорид (SICL4) и метан (CH4) като основни химически източници;

Поставете силициевия тетрахлорид и метан в реактор с висока температура;

Загрейте реактора към необходимата температура, за да инициирате химични реакции;

Високотемпературната среда причинява реакции между силициев тетрахлорид и метан.Тези реакции образуват силициев карбид (SIC);

Силициевият карбид се образува и отлага върху желаните субстрати в реактора;

Позволете на реактора и неговото съдържание да се охлаждат постепенно;

Извлечете покритите субстрати или компоненти.Провеждайте всички довършителни процеси, за да отговаряте на крайните спецификации.

Процесът на Ачесон

Фигура 12: Процесът на Acheson

Най -често срещаният начин да се направи SIC е методът Acheson.Едуард Гудрих Ачесън създава този процес през 1893 г., за да произвежда SIC и графит.Много растения от силициев карбид използват този метод оттогава.

Процедурата на процеса на Acheson:

Смесете добре силициев пясък с кокс;

Подредете сместа около централен графитен прът в пещ за електрическо съпротивление;

Загрейте пещта до близо 2500 ° C.Поддържайте температурата, за да задвижвате химическата реакция;

Интензивната топлина причинява реагиране на силициев диоксид и въглерод, образувайки силициев карбид;

Оставете пещта да се охлажда постепенно;

Извлечете образувания силициев карбид от пещта;

По -нататъшно обработете силициевия карбид, когато е необходимо.

Тази таблица осигурява опростено сравнение на четири метода, използвани за производство на силициев карбид (SIC).Той има за цел да помогне да се разберат уникалните предимства и най -добрите приложения на всяка производствена техника.

Метод	Предимства	Най -добре Употреби
Реакционно свързано силиконов карбид (RBSC)	Прави силни, издръжливи части Добър за сложни форми Малка деформация	Бронирани покрития, високоефективни дюзи
Модифициран lely процес	Много чисти кристали Перфектна структура По -добър контрол върху процеса	Полупроводници, квантови изчисления
Химическо отлагане на пари (CVD)	Дори композиция Висока чистота Може да използва различни материали	Устойчиви на износване покрития, устойчив на корозия Покрития, полупроводникова индустрия
Процесът на Ачесон	Проста и ниска цена Може да произвежда големи количества Последователни, висококачествени кристали	Абразиви, огнеупорни материали

Силициев карбид (SIC) в съвременните приложения

В автомобилната индустрия, особено за електрическите превозни средства, SIC подобрява производителността на инвертора и прави системите за управление на батерията по -малки, разширявайки обхвата на превозните средства и разходите за намаляване.Goldman Sachs изчислява, че тези подобрения могат да спестят около 2000 долара на превозно средство.

Фигура 13: Спирачка на диска със силициев карбид

При слънчевата енергия SIC повишава ефективността на инвертора, което позволява по -високи скорости на превключване, което намалява размера и разходите на веригата.Неговата издръжливост и стабилната производителност го правят по -добър от материали като галиев нитрид за слънчеви приложения.

Фигура 14: SIC за слънчеви енергийни системи

В телекомуникациите SIC отличното термично управление позволява на устройствата да се справят с по -голяма плътност на мощността, подобрявайки производителността в клетъчните базови станции и поддържат 5G Rollout.Тези напредъци отговарят на необходимостта от по-добра производителност и енергийна ефективност в безжичните комуникации от следващо поколение.

Фигура 15: Полупроводник от трето поколение силициев карбид

В индустриални настройки SIC издържа на сурови среди и високи напрежения, което позволява опростени дизайни с по -малко охлаждане, по -висока ефективност и по -ниски разходи, подобряване на работата на системата.

Фигура 16: Изработка на стомана със силициев карбид

В отбраната и аерокосмическото пространство SIC се използва в радарни системи, космически превозни средства и електроника на самолета.SIC компонентите са по -леки и по -ефективни от силиций, най -подходящи за космически мисии, където намаляват разходите за намаляване на теглото.

Фигура 17: Производство и приложения от край до край

Заключение

Силиконов карбид (SIC) се превръща в материал за много приложения с високо търсене поради отличните си свойства и подобрените производствени техники.Със своята широка лента, голяма топлопроводимост и силни механични свойства, SIC е идеален за здрави среди, които се нуждаят от висока мощност и топлинна устойчивост.Подробният поглед на статията на производствените методи на SIC показва как напредъкът в материалите на материалите позволяват персонализирането на свойствата на SIC да отговори на специфичните индустриални нужди.Докато индустриите се придвижват към по -ефективни и компактни устройства, SIC играят роля в автомобилната, слънчевата енергия, телекомуникациите и аерокосмическите технологии.Очаква се текущите изследвания за намаляване на разходите и подобряване на качеството на SIC да увеличат присъствието си на пазара, засилвайки важната си роля в бъдещето на полупроводниковите материали и високоефективните приложения.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Кой използва силиконов карбид?

Силиконов карбид се използва от индустрии и професионалисти, работещи в електрониката, автомобила, аерокосмическото и производството.Инженерите и техниците разчитат на него заради своята издръжливост и ефективност в среди с висок стрес.

2. За какво се използва полупроводник на силициев карбид?

Силиконовите карбидни полупроводници се използват за приложения с висока мощност и висока температура.Използва се в електроенергийните устройства за електрически превозни средства за ефективно управление на енергията, както и в диоди и транзистори, открити в технологиите за възобновяема енергия и приложения с висока мощност като железопътни системи.

3. Какво е прилагането на силициев карбид SIC?

Приложенията на силициев карбид (SIC) включват:

Електроника на мощност: Ефективно преобразуване и управление на мощността.

Електрически превозни средства: Подобрена работа и обхват.

Слънчеви инвертори: Повишена енергия и надеждност.

Аерокосмическо пространство: компоненти с висока температура и висок стрес.

Промишлено оборудване: Силни и дълготрайни части.

4. Какви продукти се правят от силициев карбид?

Продуктите, изработени от силициев карбид, варират от полупроводници и електронни устройства до абразиви, режещи инструменти и отоплителни елементи.Използва се и в броня и защитна екипировка поради своята твърдост и термична устойчивост.

5. Къде се произвежда силициев карбид?

Силиконов карбид се произвежда в специализирани съоръжения, предимно в Съединените щати, China и Европа.Компаниите работят с високотемпературни пещи, за да синтезират SIC от суровини като кварцов пясък и петролен кокс.

6. Каква е разликата между силиций и силициев карбид?

Разликата между силициев и силициев карбид се крие в техните свойства и приложения.Силиций е чист елемент, използван в стандартните полупроводникови устройства и слънчеви панели, докато силициевият карбид е съединение, известно със своята твърдост, висока топлопроводимост и способност да работи при по -високи напрежения и температури.Това прави SIC идеален за приложения с висока мощност и висока температура, където силицийът ще се провали.