Definition von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid (SiC) ist eine ultraharte Nichtoxid-Keramik mit besonderen Eigenschaften und Anwendungen, die erstmals 1891 von dem amerikanischen Erfinder Edward G. Acheson bei dem Versuch entdeckt wurde, künstliche Diamanten herzustellen.

SiC ist in seinem reinen Zustand normalerweise ein Isolator, kann aber durch kontrollierte Dotierung halbleitend werden. Ein Material mit breiter Bandlücke wie SiC kann elektrische Energie effizienter transportieren als herkömmliche Halbleiter.

Herkunft

Siliciumcarbid (SiC) ist eine harte, spröde Verbindung aus Kohlenstoff und Silicium mit der chemischen Formel SiC. Dieses Material kommt in der Natur als Mineral Moissanit vor, wird aber seit 1893 in Massenproduktion als Schleifmittel hergestellt. Die Körner dieses Materials können durch Sintern zusammengeschmolzen werden, um sehr harte Keramiken herzustellen, die z. B. in Bremsen/Kupplungen/Kupplungsplatten von Kraftfahrzeugen, die in kugelsichere Westen eingebettet sind, sowie in elektronischen Halbleitergeräten, die bei hohen Temperaturen und/oder Spannungen arbeiten, Verwendung finden.

Bei modernen Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid für die Verwendung in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie wird ein Gemisch aus reinem Quarzsand und Kohlenstoffkoks in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt, wobei elektrischer Strom durch Kohlenstoffleiter fließt, um chemische Reaktionen auszulösen, die SiC erzeugen. Dies ist ein intensiver Prozess, der sich über Tage hinziehen kann, da beide Elemente bis ins Nichts abbrennen, bevor sie sich schließlich wieder in Nichts auflösen.

SiC ist ein außergewöhnlich stabiles Material mit geringer Wärmeausdehnung. Diese Eigenschaften in Verbindung mit seiner Härte, Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für Spiegel, die in großen optischen Teleskopen verwendet werden. SiC wird auch zu einem attraktiven Ersatz für herkömmliche Silizium-Halbleiter in anspruchsvollen Anwendungen wie Leistungselektronik für terrestrische Elektrofahrzeuge und 5G-Mobilfunknetze, da es höheren Leistungsdichten und Betriebstemperaturen standhalten kann und gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit als diese herkömmlichen Materialien bietet.

Eigenschaften

Siliziumkarbid (SiC), das aus der Kombination von Silizium und Kohlenstoff hergestellt wird, ist ein faszinierendes Material mit vielen wünschenswerten Eigenschaften. SiC ist hart, langlebig und kann hohen Temperaturen standhalten; es ist nicht oxidiert und korrosionsbeständig; und es ist eine extrem starke und abrasive Keramik, was es für Anwendungen wie Bremsen und Kupplungen sowie für Strukturmaterialien wie kugelsichere Westen geeignet macht.

Siliciumcarbid ist in seinem reinen Zustand ein elektrischer Isolator; wird es jedoch mit einer kontrollierten Dotierung mit Verunreinigungen behandelt, kann es halbleitende Eigenschaften aufweisen. Im Gegensatz zu Leitern, die immer einen freien Stromfluss zulassen, können Halbleiter durch Anregung mit elektrischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen wie Licht elektrische Ströme verstärken, schalten oder umwandeln. Diese Fähigkeit bildet die Grundlage für elektronische Bauelemente wie Schottky-Dioden, MOSFETs und FETs, die bei Hochspannungsanwendungen deutlich geringere Einschaltwiderstände aufweisen als bipolare Transistoren.

Die Bandlücke von Siliziumkarbid ist wesentlich größer als die von Silizium, so dass die Elektronen wesentlich mehr Energie benötigen, um vom Valenzband in das Leitungsband überzugehen - dadurch kann es in elektronischen Geräten wesentlich größeren elektrischen Feldern ohne Leistungsverlust standhalten.

Anwendungen

Siliciumcarbid (SiC) hat in letzter Zeit ein Comeback als keramisches Industriematerial erlebt. Es ist eine der härtesten bekannten Substanzen und steht in puncto Härte in Konkurrenz zu Diamant und Borkarbid. SiC wird auch in kugelsicheren Panzern verwendet - seine harten Keramikblöcke verhindern, dass Kugeln sie durchdringen.

Siliciumcarbid kann auch durch die Zugabe von kontrollierten Verunreinigungen zu einem Halbleiter werden. Die Dotierung kann die Zugabe von Bor und Aluminium für p-Typ-Halbleiter oder Stickstoff und Phosphor für n-Typ-Halbleiter umfassen - dies ermöglicht zahlreiche Anwendungen in der Produktion elektronischer Geräte wie Leistungshalbleiter.

SiC wird am häufigsten als Schleifmittel eingesetzt, wobei seine Härte oder seine Schleifwirkung genutzt wird, um Metalle, Glas und keramische Oberflächen wie Fliesen zu schleifen. Darüber hinaus wird durch das Schmelzen von SiC und die Beschichtung von Stahlwerkzeugen die Haltbarkeit erhöht; eine weitere Anwendung ist die Verwendung als Stabilisator bei der Herstellung hochwertiger Keramik.

Obwohl SiC in der Natur in Form von Moissanit-Edelsteinen vorkommt, wird SiC überwiegend synthetisch hergestellt. SiC wird durch die Reduktion von Quarzsand mit Kohlenstoff in elektrischen Widerstandsöfen bei hohen Temperaturen hergestellt. Anschließend wird es mit Koks gemischt, um schwarze oder grüne Sorten zu erzeugen, die als a-SiC und b-SiC bekannt sind und dann je nach Verwendungszweck verarbeitet werden.

Markt

Siliciumcarbid ist eine der vorteilhaftesten chemischen Verbindungen, die dem Menschen bekannt sind, und gleichzeitig eine der härtesten Substanzen, die es gibt. Da es in der Natur selten vorkommt, muss Siliciumcarbid synthetisiert werden, bevor es kommerziell genutzt werden kann. Siliziumkarbid wird in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Robotik, in Fertigungsanlagen und in Motorantrieben, wo es aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb eingesetzt wird; auch in Schneidwerkzeugen und Schleifscheiben wird es häufig verwendet.

Die große Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht den Betrieb bei höheren Frequenzen und Temperaturen bei gleichzeitiger Minimierung der Energieverluste, was zu einem höheren Wirkungsgrad und einer längeren Lebensdauer der Batterien von Elektrofahrzeugen führt. Diese Nachfrage hat den Absatz von SiC-Leistungselektronik in die Höhe schnellen lassen.

Die Mitglieder der SiC-Branche profitieren auch von der starken staatlichen Unterstützung in Nordamerika, z. B. durch Forschungszuschüsse, Finanzierungsanreize und Belohnungen für Innovation und Technologieentwicklung.

Der Advanced Business Intelligence, Research & Analysis Wing (ABIRAW) von SkyQuest liefert detaillierte Marktinformationen über Siliziumkarbid (SiC). Sie sammeln, vergleichen und korrelieren Primär- und Sekundärdaten, um sich ein klares Bild von diesem Markt zu machen, und führen dann eingehende Analysen durch, in denen sie die treibenden Kräfte, Herausforderungen und Chancen innerhalb des Marktes identifizieren - und schließlich strategischen Geschäftsentscheidungen einen Fahrplan bieten, dem sie zum Erfolg folgen können. Die Berichte sind sowohl auf ihrer Website als auch für begrenzte Zeit über Amazon erhältlich.