Elektrické vlastnosti karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) je extrémně odolný materiál, který je schopen odolávat vysokým teplotám a elektrickému namáhání a zároveň má vynikající vlastnosti proti oděru.

Čistý SiC je elektrický izolant, avšak s pečlivě nanesenými příměsemi se může přeměnit na polovodičový materiál. Dopování hliníkem a bórem vede k polovodičům typu p, zatímco dopování dusíkem a fosforem vytváří polovodiče typu n.

Pásmová propust

Karbid křemíku je díky své široké pásové mezeře vhodnější pro vyšší teploty a napětí než jiné polovodiče, což jej předurčuje k použití ve výkonné výkonové elektronice, jako jsou diody, tranzistory a tyristory.

Hodnota pásma je energetická mezera mezi vodivostním a valenčním pásem materiálu, která určuje, zda jím mohou procházet elektrony. Je určena velikostí atomu a umístěním v něm - menší atomy mají větší hodnoty pásmové mezery. Legování ji může dále měnit; zvláště velké hodnoty vykazují nitridy III-V.

Široké pásmové mezery umožňují elektronům snadnější průchod materiály a přenášejí s sebou větší množství energie, což vede k většímu elektrickému proudu a lepší absorpci světla. Širší pásové mezery navíc účinněji absorbují světlo.

Energetické hladiny v materiálu určují, zda se chová jako vodič, izolant nebo polovodič. Fermiho energie, nejvyšší hladina obsazená pevnými látkami při nízkých teplotách, určuje, kam spadají valenční i vodivostní pásy; pokud se nacházejí v jednom z nich, účastní se jich všechny elektrony dostupné pro vazbu; v opačném případě izolanty nemohou vést tak volně, protože nejsou přítomny elektrony, které by vedly vodivé dráhy.

Fermiho energie leží uvnitř vodivostního pásu; pokud jsou přítomny elektrony, které se mohou podílet na vedení. To je typické pro polovodiče.

Dopování umožňuje manipulovat s elektrickou vodivostí slinutého porézního SiC přidáním nečistot do jeho krystalové struktury, čímž se vytvoří více volných elektronů nebo děr a účinně se změní jeho elektrická vodivost. Tento proces se běžně používá při výrobě elektronických zařízení, jako jsou diody, tranzistory, tyristory a fotovoltaické články. Vyplněním nižších energetických hladin atomy bóru může přidání bóru zvýšit elektrickou vodivost slinuté porézní keramiky SiC. V důsledku toho tato technologie snižuje odpor a zároveň zužuje depleční oblasti v krystalických mřížkách, čímž se zužují odporové zóny a zužují depleční oblasti pro vyšší účinnost v zařízeních pracujících při vyšších teplotách a napětích než jejich protějšky na bázi křemíku.

Tepelná vodivost

Karbid křemíku se vyznačuje vysokou tepelnou vodivostí a nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, což z něj činí vynikající materiál pro aplikace vyžadující řízení tepla. Kromě toho je tento materiál velmi užitečný díky své měrné tepelné kapacitě - množství energie na jednotku hmotnosti, kterou dokáže absorbovat. Jeho účinné vlastnosti při přenosu tepla navíc snižují riziko tepelného namáhání nebo vzniku mikrotrhlin, zatímco jeho nízký koeficient tepelné roztažnosti zajišťuje minimální riziko vzniku napětí nebo mikrotrhlin.

Tepelná vodivost materiálů závisí na hustotě jejich atomového nebo molekulárního uspořádání, přičemž u kovů se hustota uspořádání s rostoucí teplotou snižuje v důsledku zvýšených vibračních pohybů jejich atomů a molekul, čímž se snižuje střední volná dráha krystalovou mřížkou. U nekovů jsou však vztahy složitější; zvyšující se hustota obalů může tepelnou vodivost zvyšovat, ale je důležité nepřehlédnout další faktory, které ji mohou měnit, jako je například rozptyl elektronových fononů.

Chemické složení a podmínky zpracování porézního karbidu křemíku mohou zásadně ovlivnit jeho elektrické vlastnosti, například vodivost. Aby byla zachována jednotnost a maximalizován pozitivní dopad na elektrotepelné vlastnosti porézních materiálů karbidu křemíku, měly by být použité dopanty rovnoměrně rozděleny v každé šarži materiálu obsahujícího dopanty použité pro účely dopování. Rovněž je nezbytné, aby jejich koncentrační úrovně byly správné; k tomuto cíli mohou pomoci objemové a prostorově rozlišené analytické metody.

Karbid křemíku je díky svému širokému pásmu a vynikající tepelné vodivosti ideálním polovodičovým materiálem pro mnoho různých aplikací. Často se používá v zařízeních výkonové elektroniky, včetně diod, tranzistorů a tyristorů, kde je díky své vynikající odolnosti vůči vyšším napětím a teplotám vhodným materiálem. Kromě toho jeho vysoká měrná tepelná kapacita umožňuje rychle a efektivně absorbovat a odvádět velké množství energie.

Laboratoře EAG mají bohaté zkušenosti s testováním a analýzou elektronických vlastností karbidu křemíku. Naše pokročilé analytické techniky mohou pomoci pochopit, jak různé dopanty ovlivňují elektronické a tepelné vlastnosti karbidu křemíku. Dále můžeme zajistit, aby váš karbid křemíku obsahoval dostatečné množství dopantů typu n, jako je dusík a fosfor, nebo dopantů typu p, jako je berylium, bór nebo hliník - a aby se v jeho složení nevyskytovaly nežádoucí kontaminanty.

Odolnost

Odpor měří míru, do jaké vodivé materiály blokují elektrický proud. Měří, jak silně se brání pohybu elektronů, a má jednotky SI ohm (). Odpor kovů se pohybuje v rozmezí 0 až 100 ohmů; vyšší čísla znamenají větší odpor proti toku elektronů; delší vodiče mají obvykle nižší hodnoty odporu než kratší.

Elektrický odpor karbidu křemíku leží mezi zlatem a sklem. Ačkoli se karbid křemíku v čistém stavu chová jako izolant, lze jej učinit polovodivým dopováním hliníkem, bórem, heliem a dusíkem; přidání těchto příměsí umožňuje vznik polovodičů typu P a N s polovodivými vlastnostmi a přepínatelností v závislosti na teplotě nebo napětí.

Karbid křemíku je díky své nízké hodnotě odporu ideální pro aplikace výkonové elektroniky, které vyžadují široké teplotní rozsahy. Karbid křemíku je navíc odolný vůči mechanickému namáhání, takže se mu daří i v náročných podmínkách, kde by tradičnější materiály selhaly.

Karbid křemíku je díky svému širokému teplotnímu rozsahu vhodný pro zařízení pro přeměnu energie, jako jsou měniče, usměrňovače a DC/DC regulátory. Jeho větší pásová mezera navíc umožňuje efektivnější přenos elektrické energie než polovodiče s menšími pásovými mezerami.

Pórovitost porézního karbidu křemíku zvyšuje jeho elektrický odpor. Tento trend lze vysvětlit sníženou vodivostí elektronů přes póry. Svou roli v tom hraje chemické složení a podmínky zpracování.

Odpor materiálů lze vypočítat vydělením elektrického proudu, který jimi prochází, přiloženým napětím a výsledek vyjádřit v ohmech na metr (OHMS/m). Tato jednotka umožňuje porovnávat odpor různých vodičů: měď je považována za vynikající vodič, zatímco železo má vyšší hodnoty odporu.

Dielektrická pevnost

Dielektrická pevnost měří maximální elektrický proud, který materiál snese, než dojde k dielektrickému průrazu, což je důležité kritérium při posuzování kvality izolace při použití ve vysokonapěťových aplikacích, jako je výkonová elektronika. Zkouška obvykle zahrnuje přiložení napětí, dokud nedojde k dielektrickému průrazu, a zaznamenání výsledků ve voltech na milimetr (V/m, MV/m nebo voltech na centimetr).

Karbid křemíku (SiC) je anorganická chemická sloučenina složená z křemíku a uhlíku. Jako polovodičový materiál se širokou energetickou charakteristikou pásu je SiC ideální pro spínací aplikace, jako jsou trakční měniče pro elektrická vozidla nebo DC/DC měniče v klimatizačních zařízeních. Díky své odolnosti vůči vysokým teplotám, oxidaci, nárazům, korozi a opotřebení je vynikající volbou pro brzdy a spojky automobilů nebo keramické destičky v neprůstřelných vestách - nemluvě o účinném brusném materiálu s tvrdostí 9 na Mohsově stupnici na rozdíl od 10 u diamantu. Kromě toho je SiC oblíbeným brusným materiálem s tvrdostí 9 na Mohsově stupnici na rozdíl od diamantu, který má tvrdost 10.

Izolační vlastnosti SiC vyplývají z jedinečné kombinace křemíku a uhlíku, které jsou v krystalové mřížce spojeny silnými kovalentními vazbami. SiC je tvrdý, křehký a těžko se rozpadá, přestože má teplotu tání vyšší než 2 000 °C a nízký koeficient tepelné roztažnosti; navíc jeho odolnost vůči oxidaci umožňuje efektivní použití i v drsném prostředí, kde by jiné materiály časem rychle degradovaly.

SiC je v čistém stavu vynikajícím elektrickým izolantem, ale dopování příměsemi pro dosažení polovodičových efektů může změnit jeho vlastnosti. Dopování hliníkem nebo bórem vede k polovodičovému chování typu P, zatímco příměsi dusíku a fosforu vytvářejí chování typu N - to umožňuje využití SiC v mnoha aplikacích díky schopnosti účinně řídit hladiny příměsí.

Izolační vlastnosti SiC se měří pomocí zkoušky dielektrické pevnosti podle normy IEC 61010-1. Tímto měřením se testuje, jaké napětí může vzorek vydržet, než dojde k dielektrickému průrazu - obvykle prostřednictvím elektrického výboje. Zkouška dielektrické pevnosti se obvykle provádí v kontrolovaném laboratorním prostředí, ale může se provádět i na místě, aby se vyhodnotila výkonnost elektrického zařízení v terénu.