Enthüllung von Siliziumkarbid: Eigenschaften, Methoden und Anwendungen

In diesem Artikel werden die einzigartigen Eigenschaften von SIC untersucht, einschließlich seiner Struktur, seiner Wärmefestigkeit, der chemischen Stabilität und seiner mechanischen Festigkeit, die es besser machen als traditionelle Materialien wie Silizium, Galliumnitrid und Germanium.Es untersucht auch unterschiedliche Weise, wie SIC erzeugt wird, wie z.Der Artikel vergleicht auch die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von SIC mit anderen Halbleitern, wobei der zunehmende Einsatz in Märkten hervorgehoben wird, die eine hohe Leistungsdichte, thermische Effizienz und Haltbarkeit erfordern.

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Abbildung 1: Eine Nahaufnahme der Hand einer Frau mit einem Silizium -Carbid -Kristall (auch bekannt als Carborundum oder Moissanit)

SIC -Eigenschaften von Siliziumcarbid (SIC)

Abbildung 2: Siliziumkarbid in Petrischale

Die häufigste Form von Siliziumcarbid ist Alpha Siliciumcarbid (α-SIC).Es bildet bei Temperaturen über 1.700 ° C und hat eine hexagonale Kristallform wie Wurtzit.Wenn die Temperatur unter 1.700 ° C liegt, wird Beta-Siliziumcarbid (β-SIC) erzeugt.Diese Version hat eine Kristallstruktur, die der eines Diamanten ähnelt.

Abbildung 3: Alpha-Siliziumcarbid (α-sic)

Abbildung 4: Beta-Siliziumcarbid (β-sic)

Abbildung 5: Die MOHS -Härteskala

Siliziumkarbid ist eines der härtesten Materialien nach Diamond mit einer MOHS -Härte von etwa 9 bis 9,5. Seine Knoop -Härte kann je nach Form und Reinheit variieren, ist jedoch im Allgemeinen sehr hoch, oft zwischen 2.480 und 3.000 kg/mm².

Siliziumkarbid kann sehr hohem Druck standhalten, oft über 3.000 MPa, hat eine hohe Biegefestigkeit, normalerweise zwischen 400 und 500 MPa, und eine gute Ziehfestigkeit zwischen 250 und 410 MPa.

Härte Testmethoden	Prüfen Wertebereich	Spezifisch Werte (schwarzer Siliziumkohlenhydrat)	Spezifisch Werte (grünes Siliziumkarbid)
Brinell Härte	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers Härte	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell -Härte	- -	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs Härte	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic leitet Wärme gut mit einer Wärme Leitfähigkeit von etwa 120 W/mk Wärme in Elektronik verwalten.Bei 20 ° C führt es Wärme bei etwa 0,41 Watt durch pro Zentimeter pro Grad Celsius (W/cm ° C).Aber wenn die Temperatur aufgeht zu 1000 ° C fällt seine Wärmeleitung auf etwa 0,21 W/cm ° C.

Darüber hinaus wird Siliziumkarbid (sic) schnell von den meisten Metallen, Metalloxidschmelzen und alkalischen Schmelzen betroffen, löst sich jedoch nicht in Säuren oder Basen auf.Zu den Verunreinigungen im technischen Siliziumcarbid gehören normalerweise freie Kohlenstoff (C) und Siliziumdioxid (SiO2) mit geringen Mengen Silizium (SI), Eisen (Fe), Aluminium (Al) und Calcium (CA).Das Molekulargewicht von SIC beträgt 40,096.Reines SIC besteht aus 70,05% Silizium (SI) und 29,95% Kohlenstoff (C).

Abbildung 6: Chemische Struktur von Siliziumkarbid (sic)

Abbildung 7: Chemische Struktur von Siliziumkarbid (sic)

Eigenschaften des Siliziumcarbids vom Typ n-Typ und P (sic)

N-Typ Siliciumcarbid (sic)

Siliziumcarbid (SIC) ist ein hartes Material, das in Anwendungen mit hoher Stress verwendet wird, da es Wärme gut behandelt und sehr stark ist.Um N-Typ zu machen, werden Verunreinigungen hinzugefügt, ein Prozess, der als Doping bezeichnet wird und seine elektrischen Eigenschaften ändert.Elemente wie Stickstoff oder Phosphor, die mehr Valenzelektronen als Silizium aufweisen, werden zugesetzt, um die Anzahl der freien Elektronen in der SIC -Struktur zu erhöhen.Dies schafft ein negativ geladenes oder "n-Typ" -Material.

Diese freien Elektronen verbessern die elektrische Leitfähigkeit von sic erheblich.Im N-Typ können sich die Elektronen leichter mit reinem SIC bewegen, wo ihre Bewegung begrenzt ist.Diese bessere Elektronenbewegung macht N-Typ ideal für Leistungselektronik und Hochfrequenzgeräte, auf denen ein schneller und effizienter Elektronenfluss fließt.Während N-Typ SIC eine bessere Leitfähigkeit aufweist, leitet es keine Strom- und Metalle, wodurch seine semi-leitenden Eigenschaften aufrechterhalten werden.Dieser Gleichgewicht ermöglicht eine präzise Steuerung des Elektronenflusses in verschiedenen elektronischen Geräten.

P-Typ Siliciumcarbid (sic)

P-Typ Silicon Carbid (SIC) funktioniert anders als seine N-Typ-Version.P-Typ-Doping beinhaltet das Hinzufügen von Elementen wie Bor oder Aluminium, die weniger Valenzelektronen als Silizium haben.Dies erzeugt "Löcher" oder Räume, in denen Elektronen fehlen, wodurch das Material eine positive Ladung verleiht und es "P-Typ" macht.Diese Löcher tragen dazu bei, den elektrischen Strom zu tragen, indem sie sich positive Ladungen bewegen.

Warum bevorzugte Siliziumkarbid (sic)?

Abbildung 8: Halbleitermaterialien

Die folgende Tabelle enthält einen detaillierten Vergleich von vier Halbleitermaterialien: Silizium (SI), Galliumnitrid (GaN), Germanium (GE) und Siliciumcarbid (SIC).Der Vergleich ist in verschiedene Kategorien organisiert.

Aspekt	Silizium (Si)	Gallium Nitrid (Gan)	Germanium (GE)	Silizium Carbid (sic)
Elektrische Eigenschaften	Reife Prozesse, Bandgap von 1,1 eV, begrenzt in hoher Leistung/Frequenz	Hohe Elektronenmobilität, 3,4 EV -Bandgap, Hochleistungs-/Frequenzanwendungen	Hohe Elektronenmobilität, 0,66 EV -Bandgap, hoch Leckage	Breites Bandlücken von 3,2 eV, effizient bei hoch Spannungen/Temperaturen, niedrige Leckage
Wärmeeigenschaften	Mäßige thermische Leitfähigkeit kann einschränken Hochleistungsnutzung	Besser als Silizium, erfordert aber fortgeschritten Kühlung	Niedrigere thermische Leitfähigkeit als Silizium	Hohe thermische Leitfähigkeit, effektive Wärme Dissipation
Mechanische Eigenschaften	Spröde, für die meisten Gebrauch ausreicht	Spröde, anfällig für das Nichtübereinstimmen Substrate	Mehr spröde als Silizium	Hart, stark, geeignet für hohe Dauerhaftigkeit Anwendungen
Markteinführung	Dominant aufgrund einer etablierten Infrastruktur und niedrige Kosten	In Telekommunikations- und Verteidigung beliebt, begrenzt von hohe Kosten	Begrenzt aufgrund weniger günstiger Eigenschaften	Hochleistungsdichte, hoher Temperaturbetrieb, Operation, Effizienz, Haltbarkeit, anhaltende Kostensenkung

Siliziumkarbid (sic) machen

Um Siliziumkarbid zuzubereiten, erhitzen Sie normalerweise Silica-Sand und kohlenstoffreiche Zeug wie Kohle auf fast 2500 Grad Celsius.Dies gibt Ihnen ein dunkleres Siliziumkarbid mit einigen Eisen- und Kohlenstoffverunreinigungen.Siliziumkarbid kann mit vier Hauptmethoden synthetisiert werden, von denen jeweils unterschiedliche Vorteile auf bestimmte Verwendungen zugeschnitten sind.Diese Methoden umfassen:

Reaktion mit Siliziumcarbid (RBSC)

Reaktionsbindete Siliziumcarbid (RBSC) besteht aus einer fein gemischten Mischung aus Siliziumkarbid und Kohlenstoff.Das Gemisch wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und Flüssigkeits- oder Dampfsilizium ausgesetzt.Das Silizium und der Kohlenstoff reagieren auf mehr Siliziumkarbid, und das Silizium füllt alle übrig gebliebenen Poren.Wie reaktionsgebundene Siliziumnitrid (RBSN) verändert RBSC während des Sinterns sehr wenig.Wenn diese Produkte zum Schmelzpunkt von Silizium gelangen, bleiben sie fast so stark wie zuvor.RBSC ist in der Keramikindustrie beliebt, da sie kostengünstig ist und zu komplexen Designs geformt werden kann.

Abbildung 9: Reaktion mit Siliziumkarbid gebunden

Reaktionsniedrig -Siliziumcarbid (RBSC):

Kombinieren Sie grobe Siliziumcarbidpartikel mit Silizium und Weichmachern.Mischen, bis eine einheitliche Mischung erreicht ist;

Machen Sie die Mischung in die gewünschten Formen und Formen.Sicherstellen, dass die Geometrie Präzision für die endgültigen Spezifikationen entspricht.

Legen Sie die geformten Stücke in einen Hochtemperaturofen.Wärme zu einer Temperatur, die eine Reaktion zwischen Silizium- und Siliziumcarbidpartikeln verursacht;

Das Silizium reagiert mit dem Siliziumkarbid, verbindet sich an die Matrix und erhöht die Festigkeit und Haltbarkeit;

Lassen Sie die Teile allmählich auf Raumtemperatur abkühlen.

Polieren Sie die abgekühlten Teile, um genaue Spezifikationen zu erfüllen und die Oberflächenbeschaffung zu verbessern.

Modifiziertes Ly -Prozess

Abbildung 10: modifiziertes Lely -Prozess

Die 1978 von Tairov und Tsvetkov erstellte Methode wird auch als modifizierte Methode bezeichnet.Der modifizierte Ly -Prozess verbessert die Synthese von Siliziumkarbidkristallen.Es beinhaltet das Erhitzen und Kühlung eines SiC-Pulvers in einem halb geschlossenen Behälter, sodass es Kristalle auf einem Samen bildet, der bei einer leicht kühleren Temperatur gehalten wird.

Modifiziertes Prozessverfahren:

Mischen Sie Silizium- und Kohlenstoffpulver gründlich.Legen Sie die Mischung in einen Graphit -Tiegel;

Legen Sie den Schmelztiegel in einen Ofen.Wärme auf ungefähr 2000 ° C in einer Vakuum- oder Inertgasumgebung, um Oxidation zu verhindern;

Die Siliziumkarbidmischung untermauert und wechselt von einem Feststoff zu einem Gas.

Siliziumkarbiddämpfe lagern sich auf eine zentral positionierte Graphitstange ab.Auf der Stange bilden sich hohe SIC-Einzelkristalle mit hoher Purity.

Kühlen Sie das System vorsichtig auf Raumtemperatur ab.

Extrahieren Sie die hohen Siliziumcarbidkristalle aus der Graphitstab zur Verwendung in High-Tech-Anwendungen.

Chemische Dampfabscheidung (CVD)

Abbildung 11: chemische Dampfabscheidung (CVD)

Eine reaktive Silanverbindung, Wasserstoff und Stickstoff wurde bei einer chemischen Dampfabscheidung (CVD) zur Herstellung von Siliziumcarbid (sic) bei Temperaturen zwischen 1073 und 1473 K verwendet.kontrolliert werden.Im CVD-Verfahren für Siliziumcarbid werden Wasserstoff und zerbrochenes Methyltrichlorsisilan (MTS) bei hoher Temperatur und niedrigem Druck auf eine Oberfläche gemischt, um eine kontrollierte Schicht dichtem Siliziumkarbid zu erzeugen.

CVD -Verfahren für chemische Dampfablagerung (CVD):

Bereiten Sie Siliziumtetrachlorid (SICL4) und Methan (CH4) als primäre chemische Quellen vor;

Legen Sie das Siliziumtetrachlor und das Methan in einen Hochtemperaturreaktor;

Erhitzen Sie den Reaktor auf die erforderliche Temperatur, um chemische Reaktionen zu initiieren;

Die Hochtemperaturumgebung führt zu Reaktionen zwischen Siliziumtetrachlor und Methan.Diese Reaktionen bilden Siliziumkarbid (sic);

Das Siliziumkarbid bildet und lagert die gewünschten Substrate innerhalb des Reaktors ab;

Lassen Sie den Reaktor und seinen Inhalt allmählich abkühlen.

Extrahieren Sie die beschichteten Substrate oder Komponenten.Führen Sie alle Abschlussprozesse durch, um die endgültigen Spezifikationen zu erfüllen.

Der Acheson -Prozess

Abbildung 12: Der Acheson -Prozess

Der häufigste Weg, SIC herzustellen, ist die Acheson -Methode.Edward Goodrich Acheson erstellte diesen Prozess 1893, um SIC und Graphit zu produzieren.Viele Siliziumkarbidpflanzen verwenden diese Methode seitdem.

Das Acheson -Prozessverfahren:

Kieselsand mit Cola gründlich mischen;

Die Mischung um einen zentralen Graphitstab in einem elektrischen Widerstandsofen anordnen;

Erhitzen Sie den Ofen auf fast 2500 ° C.Behalten Sie die Temperatur bei, um die chemische Reaktion zu antreiben;

Die intensive Wärme reagiert Siliciumdioxid und Kohlenstoff und bildet Siliziumkarbid.

Lassen Sie den Ofen allmählich abkühlen.

Extrahieren Sie das gebildete Siliziumkarbid aus dem Ofen;

Führen Sie das Siliziumkarbid bei Bedarf weiter bearbeiten.

Diese Tabelle bietet einen vereinfachten Vergleich von vier Methoden zur Herstellung von Siliziumcarbid (SIC).Ziel ist es, die einzigartigen Vorteile und besten Verwendungen jeder Produktionstechnik zu verstehen.

Verfahren	Vorteile	Am besten Verwendung
Reaktion mit Siliziumcarbid (RBSC)	Macht starke, langlebige Teile Gut für komplexe Formen Wenig Verformung	Panzerplattierung, Hochleistungsdüsen
Modifiziertes Ly -Prozess	Sehr reine Kristalle Perfekte Struktur Bessere Kontrolle über den Prozess	Halbleiter, Quantum Computing
Chemische Dampfabscheidung (CVD)	Sogar Komposition Hohe Reinheit Kann verschiedene Materialien verwenden	Korrosionsbeständige Verschleißbeschichtungen, korrosionsbeständige Beschichtungen Beschichtungen, Halbleiterindustrie
Der Acheson -Prozess	Einfache und niedrige Kosten Kann große Mengen produzieren Konsistente, hochwertige Kristalle	Schleifmittel, feuerfeste Materialien

Siliziumcarbid (SIC) in modernen Anwendungen

In der Automobilindustrie, insbesondere für Elektrofahrzeuge, verbessert SIC die Wechselrichterleistung und macht die Batteriemanagementsysteme kleiner, verlängert die Fahrzeugreihe und die Kostensenkung.Goldman Sachs schätzt, dass diese Verbesserungen etwa 2.000 US -Dollar pro Fahrzeug einsparen könnten.

Abbildung 13: Silizium -Carbid -Scheibenbremse

In der Solarenergie erhöht SIC den Wechselrichter -Effizienz und ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten, wodurch die Größe und die Kosten der Schaltung reduziert werden.Die Haltbarkeit und die stabile Leistung machen es besser als Materialien wie Galliumnitrid für Solaranwendungen.

Abbildung 14: sic für Sonnenenergiesysteme

In der Telekommunikation ermöglicht das SIC Excellent thermisches Management Geräte, höhere Leistungsdichten zu bewältigen, die Leistung in Mobilfunkstationen zu verbessern und 5G -Rollout zu unterstützen.Diese Fortschritte erfüllen die Notwendigkeit einer besseren Leistung und Energieeffizienz in der drahtlosen Kommunikation der nächsten Generation.

Abbildung 15: Halbleiter-Siliziumcarbid der dritten Generation

In industriellen Umgebungen hält SIC harte Umgebungen und hohe Spannungen, die optimierte Designs mit weniger Kühlung, höheren Effizienz und niedrigeren Kosten ermöglichen und die Systemleistung verbessert.

Abbildung16: Stahlherstellung mit Siliziumkarbid

In der Verteidigung und in der Luft- und Raumfahrt wird SIC in Radarsystemen, Weltraumfahrzeugen und Flugzeugelektronik verwendet.SIC -Komponenten sind leichter und effizienter als Silizium, am besten für Weltraummissionen, bei denen die Gewichtskosten gesenkt werden.

Abbildung 17: End-to-End-SIC-Produktion und Anwendungen

Abschluss

Siliziumcarbid (SIC) wird aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und verbesserten Produktionstechniken zum Anlaufpunkt für viele hochdarstellende Anwendungen.Mit seiner breiten Bandlücke, der großen thermischen Leitfähigkeit und der starken mechanischen Eigenschaften ist SIC ideal für schwierige Umgebungen, die hohe Leistung und Wärmefestigkeit benötigen.Der detaillierte Blick auf die Produktionsmethoden von SIC zeigt, wie Fortschritte in der Materialwissenschaft die Anpassung von SIC -Eigenschaften ermöglichen, um den spezifischen industriellen Bedürfnissen gerecht zu werden.Während die Branchen effizientere und kompaktere Geräte vorgehen, spielen SIC eine Rolle bei Automobil-, Solarenergie-, Telekommunikations- und Luft- und Raumfahrttechnologien.Die laufenden Forschungen zur Reduzierung der Kosten und zur Verbesserung der SIC-Qualität werden voraussichtlich die Marktpräsenz erhöhen und seine wichtige Rolle in der Zukunft von Halbleitermaterialien und Hochleistungsanwendungen verstärken.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wer verwendet Siliziumkarbid?

Siliziumcarbide wird von Branchen und Fachleuten verwendet, die in Elektronik, Automobil, Luft- und Raumfahrt und Fertigung arbeiten.Ingenieure und Techniker verlassen sich auf sie für ihre Haltbarkeit und Effizienz in Hochspannungsumgebungen.

2. Wofür wird Siliziumcarbid -Halbleiter verwendet?

Siliziumcarbid-Halbleiter werden für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen verwendet.Es wird in Stromversorgungsgeräten für Elektrofahrzeuge verwendet, um die Stromversorgung effizient zu verwalten, sowie in Dioden und Transistoren, die in Technologien für erneuerbare Energien und Hochleistungsanwendungen wie Eisenbahnsysteme enthalten sind.

3. Was ist die Anwendung von Siliziumkarbid -sic?

Zu den Anwendungen von Siliziumkarbid (SIC) gehören:

Leistungselektronik: Effiziente Leistungsumwandlung und -management.

Elektrofahrzeuge: Verbesserte Leistung und Reichweite.

Solarwechselrichter: Erhöhte Energieleistung und Zuverlässigkeit.

Luft- und Raumfahrt: Hochtemperatur- und Stresskomponenten.

Industrieausrüstung: Starke und lang anhaltende Teile.

4. Welche Produkte werden aus Siliziumkarbid hergestellt?

Produkte aus Siliziumkarbid reichen von Halbleitern und elektronischen Geräten bis hin zu Schleifmitteln, Schneidwerkzeugen und Heizelementen.Es wird auch in Rüstung und Schutzausrüstung aufgrund seiner Härte und seiner thermischen Widerstand verwendet.

5. Wo wird Siliziumkarbid hergestellt?

Siliziumcarbid wird in spezialisierten Einrichtungen hergestellt, hauptsächlich in den USA, China und Europa.Unternehmen betreiben Hochtemperaturöfen, um SIC aus Rohstoffen wie Quarzsand und Petroleum Cola zu synthetisieren.

6. Was ist der Unterschied zwischen Silizium und Siliziumkarbid?

Der Unterschied zwischen Silizium und Siliziumcarbid liegt in ihren Eigenschaften und Anwendungen.Silizium ist ein reines Element, das in Standard -Halbleitergeräten und Sonnenkollektoren verwendet wird, während Siliziumkarbid eine Verbindung ist, die für seine Härte, hohe thermische Leitfähigkeit und die Fähigkeit, bei höheren Spannungen und Temperaturen zu arbeiten, bekannt ist.Dies macht SIC ideal für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen, bei denen Silizium versagen würde.