مزايا كربيد السيليكون كربيد السيليكون SiC

توفر خواص مادة كربيد السيليكون (SiC) لمهندسي التطبيقات العديد من فرص التحسين على مستوى النظام بفضل قدراتها العالية للغاية في حجب الجهد الكهربائي وانخفاض خصائصها المحددة على خصائص المقاومة.

يمكن أن تتحمل SiC ما يصل إلى 10 أضعاف المجالات الكهربائية التي يتحملها السيليكون، مما يجعلها المادة المثالية لإلكترونيات الطاقة في التطبيقات الصعبة مثل أنظمة التحكم في المحركات الكهربائية والمركبات الأرضية والفضائية.

درجة حرارة عالية

يعتبر كربيد السيليكون سيك مادة مثالية للاستخدام في أجهزة أشباه موصلات الطاقة بسبب درجة حرارة تشغيله العالية. يمكن لمادة كربيد السيليكون ذات فجوة النطاق العريض أن تتعامل مع التيارات والفولتية العالية في درجات حرارة تتجاوز نقطة انصهارها بكثير، مما يتيح أداءً أكثر كفاءة مقارنةً بالأجهزة المصنوعة من السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs). علاوة على ذلك، تساعد مستويات مقاومة SiC الأعلى في تقليل فقدان الطاقة الكلي بشكل كبير.

عُرف كربيد السيليكون كذا منذ فترة طويلة، ولكن لم تتضح إمكاناته الكاملة إلا في أواخر القرن التاسع عشر. فقد اكتشفه المخترع الأمريكي إدوارد ج. أتشيسون أثناء بحثه عن طرق لصنع الماس الاصطناعي؛ حيث اكتشفه أثناء بحثه عن عينة من نيزك كانيون ديابلو في أريزونا وعُرف في النهاية باسم المويسانيت.

يُعرف كربيد السيليكون sic منذ فترة طويلة بأنه سيراميك حراري شديد الصلابة يتمتع بمقاومة استثنائية للمقذوفات. ويمكنه أن يتحمل درجات حرارة تصل إلى 2700 درجة مئوية وعادةً ما يتراوح نطاق توصيله الحراري بين 3 واط و4.9 واط لكل متر كلفن؛ وبالإضافة إلى ذلك، فإن كثافته المنخفضة وخصائصه الحرارية المنخفضة تجعله منافساً لكربيد البورون في الحماية البالستية مع توفير تكاليف تصنيع منخفضة.

لطالما حظيت كربيد السيليكون (SiC) بالتبجيل لقدرتها على تحمل البيئات القاسية ومقاومة الإشعاع، حيث تتميز بخصائص الجهد العالي للانهيار والحماية من الإشعاع. تُعد Elkem مزودًا عالميًا لكربيد السيليكون بمنتجات عالية النقاء مناسبة لمختلف التطبيقات.

أصبح كربيد السيليكون، المعروف بكفاءته في استخدام الطاقة وموثوقيته وأدائه، مكونًا أساسيًا في التقنيات الحديثة مثل السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة والبنية التحتية للاتصالات. يسعى تحالف ولاية بنسلفانيا للابتكار في مجال كربيد السيليكون إلى أن يصبح مركزاً وطنياً للبحث والتطوير وتدريب القوى العاملة في مجال تكنولوجيا بلورات كربيد السيليكون.

الجهد العالي

لطالما كانت أشباه الموصلات السيليكونية الخيار المفضل في إلكترونيات الطاقة، ولكنها سرعان ما تصل إلى حدودها القصوى عند تطبيقها على تطبيقات الجهد العالي. وهنا يمكن أن تحدث كربيد السيليكون (SiC) ثورة في هذه الصناعة.

من المعروف أن SiC يمتلك فجوة نطاق واسعة، مما يمكّنه من التعامل مع الفولتية الأعلى والتبديل الأسرع من أجهزة السيليكون التقليدية. وعلاوة على ذلك، فإن قوة مجال الانهيار العازل الكهربائي الخاص به أكبر بحوالي 10 مرات من السيليكون، لذا يمكن استخدامه لصنع أجهزة طاقة قوية أصغر حجمًا بكثير.

كربيد السيليكون هو مادة شديدة الصلابة والمقاومة، ومقاومة للتآكل والحرارة والمواد الكيميائية - وهو أحد أصعب ثلاث مواد عرفتها البشرية إلى جانب الماس وكربيد البورون. وهو الأكثر شيوعًا في منتجات مثل عجلات الطحن وأدوات القطع وورق الصنفرة، كما أنه مادة خزفية صناعية ذات قيمة عالية للغاية.

يتكون كربيد السيليكون من عنصرين نقيين هما السيليكون والكربون. يمكن تخدير هذه المادة بالنيتروجين أو الفوسفور أو البريليوم أو البورون لإنشاء أنواع مختلفة من أشباه الموصلات؛ وتوجد عادةً في مصابيح LED والترانزستورات كبديل للسيليكون. وتتميز Alpha-SiC ببنية بلورية سداسية مشابهة لبنية الورتزيت بينما تتميز Beta-SiC ببنية بلورية من الزنك بلورية أقرب إلى الماس أو المواد الأخرى المصنوعة من الأحجار الكريمة.

يبرز كربيد السيليكون كمادة بارزة بسبب مقاومته المنخفضة للتشغيل لكل بوصة مربعة، وهو ما أصبح ممكنًا باستخدام طبقات انجراف رقيقة للغاية في الإنتاج. وبما أن هذا المكون يساهم بشكل كبير في المقاومة الكلية للجهاز، فإن جعله رقيقًا قدر الإمكان يساعد على تقليلها وبالتالي تقليل المقاومة الكلية للجهاز.

إن مجموعة الميزات التي يتمتع بها كربيد السيليكون تجعله مثاليًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة، بما في ذلك حصاد الطاقة. ويساعد التشغيل في درجات حرارة وفولتية وترددات أعلى على زيادة الكفاءة والموثوقية بينما يساعد انخفاض خسائر التحويل في الحد من فقدان الطاقة وبالتالي زيادة كثافة الطاقة في المنتجات النهائية.

كثافة عالية

إن قدرة كربيد السيليكون على الحفاظ على سلامته الهيكلية عند مستويات مقاومة عالية جعلته شائعًا في صناعة السيارات، خاصةً كمكون في محولات السيارات الكهربائية. وتتمتع كربيد السيليكون بميزة إضافية مقارنة بأشباه موصلات السيليكون التقليدية حيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية أكبر بين نطاقات التكافؤ والتوصيل؛ وهذا يمكّن كربيد السيليكون من تحمل ما يصل إلى 10 أضعاف المجالات الكهربائية التي يمكن أن يتحملها السيليكون العادي.

يرجع الفضل لإدوارد جودريتش أتشيسون في صنع كربيد السيليكون على نطاق واسع في عام 1891. باستخدام فرن حديدي وتسخين خليط من الطين (سيليكات الألومنيوم) ومسحوق فحم الكوك فيه، أنتج أتشيسون بلورات زرقاء تعرف باسم الكاربوروندوم والتي ستُنسب فيما بعد بشكل غير صحيح إلى هنري مويسان في فرنسا الذي أنتج مركبات مماثلة عن طريق خلط الكوارتز بالكربون.

وجد أتشيسون أن عمليته الأولية بطيئة للغاية لإنتاج كربيد السيليكون عالي الجودة للتطبيقات الإلكترونية، لذلك في عام 1903 قام بإجراء تعديلات. وعن طريق إضافة غاز الهيدروجين اللامائي، حدث تلبيد وتكثيف أفضل مما أدى إلى الحصول على منتج أعلى نقاءً.

كما طوّر أتشيسون طريقة لتخدير كربيد السيليكون الذي صنعه بالنيتروجين أو الفوسفور لاستخدامه كمادة شبه موصلة من النوع n، وكذلك البريليوم أو البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم لصنع أشباه موصلات من النوع p. ويمكن بعد ذلك استخدام كربيد السيليكون المخدر لتصنيع الأجهزة الإلكترونية الضوئية بما في ذلك الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الأزرق، وأجهزة استشعار الغازات الهيدروكربونية، وأجهزة الكشف الضوئي ذات الكفاءة وأجهزة الكشف الضوئي ذات الكفاءة.

يأتي كربيد السيليكون الملبد، الذي يشار إليه عادةً باسم SSiC، بأشكال وأحجام وهياكل حبيبية مختلفة. يمكن تصنيع خط إنتاج سيراميك الأداء والحراريات من سان غوبان بيرفورمانس سيراميك الأداء من سيراميك كربيد السيليكون الملبد بالكامل من خلال منهجيات إنتاج مختلفة بما في ذلك الكبس الجاف والترابط التفاعلي لتحقيق أقصى قدر من المرونة في الإنتاج.

إن عناصر كربيد السيليكون (SSiC) مقاومة بشكل استثنائي للهجمات الكيميائية ودرجات الحرارة التي تصل إلى 1400 درجة مئوية دون أن تتعرض للتلف أو تفقد توصيلها الكهربائي. ولحماية عناصر SSiC وزيادة طول العمر، من المهم ألا تتلامس مع أبخرة المعالجة التي يمكن أن تهاجم كيميائيًا أو تتكثف في فتحات الدعم الخاصة بها مما يتسبب في تقييدها أو تكسيرها بمرور الوقت.

كفاءة عالية

يمكن استخدام كربيد السيليكون لصناعة أجهزة طاقة عالية الكفاءة، مثل أجهزة MOSFET من كربيد السيليكون (SiC). هذه الأنواع من أجهزة الطاقة لها استخدامات متعددة تتراوح من السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية إلى محركات المحركات الصناعية ويمكنها توفير التكاليف مع انخفاض النفقات التشغيلية. يوفر كربيد السيليكون مكاسب كبيرة في الكفاءة مقارنة بالتقنية التقليدية القائمة على Si، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف التشغيلية بشكل عام.

تُعد أجهزة SiC خيارًا مثاليًا عندما تتسبب البيئة في إجهاد حراري مفرط على الأجهزة. يمكن لأجهزة SiC أن تتحمل مقاومة أكبر مع زيادة الأداء في الوقت نفسه من خلال تقليل توليد الحرارة - وهذا يساعد على إطالة عمر المعدات مع ضمان استمرار عملها على النحو المنشود.

وتتمثل ميزة كربيد السيليكون على السيليكون في اتساع فجوة النطاق. تشير فجوة النطاق إلى فرق الطاقة بين نطاقي التكافؤ والتوصيل للذرة الذي يحدد مدى سهولة انتقال الإلكترونات بينهما، ويمتلك كربيد السيليكون فجوة نطاقية تتراوح بين 2.3 إلى 3.3 إي فولت أي أكبر بنحو 10 مرات مما هو موجود في السيليكون. ويسمح هذا الاتساع لكربيد السيليكون بتحمل مجالات كهربائية أقوى وكذلك درجات حرارة التشغيل في درجات حرارة أكبر.

إن كربيد السيليكون له بعض العيوب، مثل ارتفاع تكلفته؛ ولكن هذه العيوب تطغى عليها مزاياه العديدة. إن قدرة كربيد السيليكون على تحمل مستويات عالية من المقاومة تجعله خياراً ممتازاً للسترات الواقية من الرصاص؛ حيث تمنع الكتل الخزفية المكونة من كربيد السيليكون الرصاص من اختراق الدروع الواقية - وهي مفيدة بشكل خاص لأن الرصاص ينتقل بسرعات عالية بحيث يشكل تهديداً خطيراً على حياة البشر.

إن أداء كربيد السيليكون الفائق وموثوقيته جعلا منه مكوناً أساسياً في التقنيات الحديثة مثل السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة. يسعى تحالف ابتكار كربيد السيليكون في ولاية بنسلفانيا إلى جعل ولاية بنسلفانيا رائدة في صناعة إنتاج هذه المادة، وذلك من خلال جمع قادة الصناعة والمؤسسات الأكاديمية والدعم الحكومي وتدريب القوى العاملة في مركز واحد للبحث والتطوير وتدريب القوى العاملة في مجال تكنولوجيا بلورات كربيد السيليكون.