الخواص الكهربائية لكربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة مرنة للغاية قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية والضغوطات الكهربائية مع تمتعها بخصائص فائقة مضادة للتآكل.

يعتبر SiC النقي عازلًا كهربائيًا؛ ومع ذلك، يمكن أن يتحول إلى مادة شبه موصلة مع استخدام الشوائب بعناية. ويؤدي تطعيمه بالألومنيوم والبورون إلى أشباه موصلات من النوع p، بينما يؤدي تطعيمه بالنيتروجين والفوسفور إلى إنتاج أشباه موصلات من النوع n.

فجوة النطاق

إن قيمة فجوة النطاق العريضة لكربيد السيليكون تجعله أكثر ملاءمة للتعامل مع درجات حرارة وفولتية أعلى من أشباه الموصلات الأخرى، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة عالية الأداء مثل الثنائيات والترانزستورات والثايرستور.

قيمة فجوة النطاق هي فجوة الطاقة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ في المادة التي تحدد ما إذا كانت الإلكترونات يمكن أن تمر عبرها. ويتم تحديدها حسب حجم الذرة وموقعها داخلها - فالذرات الأصغر حجمًا لها قيم فجوة نطاق أكبر. ويمكن أن تغيرها السبائك أكثر من ذلك؛ حيث تُظهر نيتريدات III-V قيمًا كبيرة بشكل خاص.

تسمح فجوات النطاقات العريضة للإلكترونات بالمرور بسهولة أكبر عبر المواد، حاملة معها كميات أكبر من الطاقة التي تؤدي إلى زيادة التيار الكهربائي وامتصاص أفضل للضوء. علاوة على ذلك، فإن فجوات النطاقات الأوسع تمتص الضوء بشكل أكثر فعالية.

تحدد مستويات الطاقة داخل المادة ما إذا كانت تعمل كموصل أو عازل أو شبه موصل. وتحدد طاقة فيرمي، وهي أعلى مستوى تشغله المواد الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة، أين يقع كل من حزامي التكافؤ والتوصيل؛ وعندما تكون داخل أي منهما ستشارك جميع الإلكترونات المتاحة للترابط؛ وإلا فإن العوازل لا يمكنها التوصيل بحرية بسبب عدم وجود إلكترونات لتوصيل مسارات التوصيل.

تقع طاقة فيرمي داخل نطاق التوصيل؛ عندما تكون هناك إلكترونات موجودة للمشاركة في التوصيل. ويلاحظ ذلك عادةً في أشباه الموصلات.

تسمح المنشطات بالتلاعب في التوصيل الكهربائي للسيليكون المسامي الملبد عن طريق إضافة شوائب إلى بنيته البلورية لإنتاج المزيد من الإلكترونات أو الثقوب الحرة، مما يؤدي إلى تغيير التوصيل الكهربائي بشكل فعال. تُستخدم هذه العملية بشكل شائع في تصنيع الأجهزة الإلكترونية مثل الثنائيات والترانزستورات والثايرستور والخلايا الكهروضوئية. ومن خلال ملء مستويات الطاقة المنخفضة بذرات البورون، يمكن أن تؤدي إضافة البورون إلى زيادة التوصيل الكهربائي لسيراميك SiC المسامي الملبد. ونتيجة لذلك، تقلل هذه التقنية من المقاومة مع تضييق مناطق النضوب داخل المشابك البلورية، وبالتالي تضييق مناطق المقاومة وتضييق مناطق النضوب لزيادة الكفاءة في الأجهزة التي تعمل في درجات حرارة وفولتية أعلى من نظيراتها القائمة على السيليكون.

التوصيل الحراري

يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية ومعامل تمدد حراري منخفض، مما يجعله خيارًا ممتازًا للمواد للتطبيقات التي تتطلب إدارة الحرارة. وعلاوة على ذلك، فإن قدرته الحرارية النوعية - كمية الطاقة لكل وحدة كتلة يمكن أن تمتصها - تجعل هذه المادة مفيدة للغاية. وعلاوة على ذلك، تقلل خصائص نقل الحرارة الفعالة من مخاطر الإجهاد الحراري أو تكوين التشققات الدقيقة بينما يضمن معامل التمدد الحراري المنخفض الحد الأدنى من مخاطر تكوين الإجهاد أو التشققات الدقيقة.

وتعتمد التوصيلية الحرارية للمواد على كثافة تعبئتها الذرية أو الجزيئية، حيث تشهد المعادن كثافات تعبئة متناقصة مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب زيادة الحركة الاهتزازية لذراتها وجزيئاتها، وبالتالي انخفاض متوسط المسارات الحرة عبر الشبيكات البلورية. لكن اللافلزات تقدم علاقات أكثر تعقيدًا؛ فزيادة كثافة التعبئة قد تزيد من التوصيلية الحرارية ولكن من المهم عدم إغفال العوامل الأخرى التي قد تغيرها مثل تشتت الإلكترونات الفونونية.

يمكن للتركيب الكيميائي وظروف معالجة كربيد السيليكون المسامية أن تؤثر بشكل كبير على خواصه الكهربائية، مثل التوصيل. وللحفاظ على التوحيد وتعظيم التأثيرات الإيجابية على الخواص الكهربائية الحرارية لمواد كربيد السيليكون المسامية على الخصائص الكهربائية الحرارية، يجب توزيع المنشطات المستخدمة بشكل موحد عبر كل دفعة من المواد التي تحتوي على المنشطات المستخدمة لأغراض التخدير. ومن الضروري أيضًا أن تكون مستويات تركيزها صحيحة؛ وقد تساعد الطرق التحليلية السائبة والمحللة مكانيًا في تحقيق هذا الهدف.

إن فجوة النطاق الواسعة التي يتميز بها كربيد السيليكون والتوصيل الحراري الممتاز يجعل منه مادة مثالية لأشباه الموصلات للعديد من التطبيقات المختلفة. وغالباً ما يُستخدم في الأجهزة الإلكترونية الكهربائية، بما في ذلك الثنائيات والترانزستورات والثايرستورات، حيث إن مقاومته الفائقة للجهود ودرجات الحرارة العالية تجعله المادة المفضلة. وعلاوة على ذلك، تمكنه قدرته الحرارية النوعية العالية من امتصاص وتبديد كميات كبيرة من الطاقة بسرعة وفعالية.

تتمتع مختبرات EAG بخبرة واسعة في اختبار وتحليل الخصائص الإلكترونية لكربيد السيليكون. يمكن أن تساعد تقنياتنا التحليلية المتقدمة في فهم كيفية تأثير المنشطات المختلفة على الخصائص الإلكترونية والحرارية لكربيد السيليكون. وعلاوة على ذلك، يمكننا التأكد من احتواء كربيد السيليكون على مستويات كافية من المنشطات من النوع n مثل النيتروجين والفوسفور أو المنشطات من النوع p مثل البريليوم أو البورون أو منشطات الألومنيوم - وعدم وجود ملوثات غير مرغوب فيها في تركيبته.

المقاومة

تقيس المقاومة النوعية درجة حجب المواد الموصلة للتيار الكهربي. وهي تقيس مدى قوة مقاومتها لحركة الإلكترونات، ولها وحدة النظام الدولي للوحدات أوم (). وتتراوح المقاومة النوعية للمعادن بين 0 و100 أوم؛ وتشير الأرقام الأعلى إلى مقاومة أكبر ضد تدفق الإلكترونات؛ وتميل الأطوال الأطول إلى أن تكون قيم المقاومة فيها أقل من الأقصر.

تقع قيمة المقاومة الكهربائية لكربيد السيليكون بين الذهب والزجاج. وعلى الرغم من أن كربيد السيليكون في حالته النقية يعمل كعازل، إلا أنه يمكن جعله شبه موصل عن طريق التطعيم بشوائب الألومنيوم والبورون والغاليوم والنيتروجين؛ وتسمح إضافة هذه الشوائب بتكوين أشباه موصلات من النوع P والنوع N مع خصائص شبه موصلة وقابلية للتبديل حسب درجة الحرارة أو الجهد.

إن قيمة المقاومة المنخفضة لكربيد السيليكون تجعله مثاليًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة التي تتطلب نطاقات درجة حرارة واسعة. وعلاوة على ذلك، فإن تحمل كربيد السيليكون للإجهاد الميكانيكي يسمح له بالازدهار حتى في البيئات القاسية التي قد تتعثر فيها المواد التقليدية.

إن النطاق الواسع لدرجات حرارة كربيد السيليكون يجعله مناسبًا لأجهزة تحويل الطاقة مثل المحولات والمقومات وأجهزة التحكم في التيار المستمر/التناوب المستمر. وعلاوة على ذلك، فإن فجوة نطاقه الأكبر تمكنه من نقل الطاقة الكهربائية بفعالية أكبر من أشباه الموصلات ذات فجوات النطاق الأصغر.

تزيد مسامية كربيد السيليكون المسامية من مقاومته الكهربائية. ويمكن تفسير هذا الاتجاه بانخفاض التوصيل الإلكتروني عبر المسام. ويلعب التركيب الكيميائي وظروف المعالجة دورًا في ذلك.

يمكن حساب مقاومة المواد بقسمة التيار الكهربي المار عبرها على الجهد المطبق عليها، مع التعبير عن النتيجة بدلالة الأوم لكل متر (OHMS/m). وتسمح هذه الوحدة بمقارنة المقاومة عبر الموصلات المختلفة: يُعتبر النحاس موصلًا ممتازًا بينما يتمتع الحديد بمقاومة أعلى.

قوة العزل الكهربائي

تقيس قوة العزل الكهربائي الحد الأقصى للتيار الكهربائي الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تستسلم للانهيار العازل، وهو معيار مهم في تقييم جودة العزل عند استخدامه في تطبيقات الجهد العالي مثل إلكترونيات الطاقة. يتضمن الاختبار عادةً تطبيق الجهد حتى يحدث الانهيار العازل الكهربائي وتسجيل النتائج على هيئة فولت لكل ميل (فولت/متر أو ميجا فولت/متر أو فولت لكل سنتيمتر).

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب كيميائي غير عضوي يتكون من السيليكون والكربون. وباعتباره مادة شبه موصلة ذات خصائص طاقة ذات فجوة نطاق عريضة، يعتبر SiC مثاليًا لتطبيقات التحويل مثل محولات الجر في السيارات الكهربائية أو محولات التيار المستمر/التناوب المستمر في مكيفات الهواء. ونظرًا لمقاومته لدرجات الحرارة المرتفعة والأكسدة والصدمات والتآكل والتآكل والتآكل، فإنه يعد خيارًا ممتازًا لمكابح وقوابض السيارات أو الألواح الخزفية في السترات الواقية من الرصاص - ناهيك عن كونه مادة كاشطة فعالة مع تصنيف صلابة يبلغ 9 على مقياس موس مقابل 10 للماس. بالإضافة إلى ذلك يجعل من SiC مادة كاشطة شائعة مع تصنيفات صلابة تبلغ 9 على مقياس موس مقابل 10 للماس.

تنبع خصائص SiC العازلة من مزيجها الفريد من السيليكون والكربون المترابطين معاً بواسطة روابط تساهمية قوية في شبكتها البلورية. ويتميز سيليكون الكربون بصلابته وهشاشته وصعوبة تفككه على الرغم من أن درجة انصهاره تتجاوز 2000 درجة مئوية ومعامل تمدد حراري منخفض؛ وعلاوة على ذلك، فإن مقاومته للأكسدة تسمح باستخدامه بفعالية حتى في البيئات القاسية حيث تتحلل المواد الأخرى بسرعة مع مرور الوقت.

يعتبر SiC عازلًا كهربائيًا ممتازًا في حالته النقية، ولكن يمكن أن يؤدي التطعيم بالشوائب لإنتاج تأثيرات شبيهة بأشباه الموصلات إلى تحويل خصائصه. يؤدي تطعيم الألومنيوم أو البورون إلى سلوك شبه موصل من النوع P بينما تنتج شوائب النيتروجين والفوسفور سلوكًا من النوع N - وهذا يسمح باستخدام SiC في العديد من التطبيقات نظرًا لقدرته على التحكم في مستويات الشوائب بفعالية.

يتم قياس SiC لخصائصه العازلة باستخدام اختبار قوة العزل الكهربائي كما هو محدد في معيار IEC 61010-1. يختبر هذا القياس مقدار الجهد الذي يمكن أن تتحمله العينة قبل أن تتعرض لانهيار عازل - عادةً عن طريق التفريغ الكهربائي. يحدث اختبار قوة العزل الكهربائي عادةً في البيئات المعملية الخاضعة للرقابة ولكن يمكن إجراؤه أيضًا في الموقع لتقييم أداء المعدات الكهربائية في الميدان.