El carburo de silicio y su conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un material sintético extremadamente duro, con una dureza de 9 en la escala de Mohs, lo que lo convierte en el noveno material más duro en un continuo de dureza. Además, el carburo de silicio presenta excelentes propiedades de conductividad eléctrica y soporta altas temperaturas.

Los componentes electrónicos fabricados con materiales cerámicos pueden ensamblarse para formar dispositivos que amplifican, conmutan y convierten señales en un circuito eléctrico. Estos dispositivos se utilizan en numerosas aplicaciones de vehículos eléctricos, como fuentes de alimentación e inversores de control de tracción.

Es un semiconductor

El carburo de silicio es un semiconductor con un amplio bandgap que le permite soportar altas tensiones. Presenta una resistencia a la tensión diez veces superior a la del silicio ordinario e incluso supera al nitruro de galio en sistemas que superan los 1000 V, lo que lo hace idóneo para dispositivos electrónicos de potencia como diodos y transistores, cojinetes de bombas, válvulas y boquillas abrasivas de uso industrial, así como placas cerámicas que se encuentran en el interior de chalecos antibalas.

Edward G. Acheson descubrió el carburo de silicio en 1891 cuando calentó una mezcla de arcilla en polvo y carbono en un horno eléctrico similar a una lámpara de arco de carbón, produciendo cristales similares a los diamantes en cuanto a dureza y brillo. Llamó a este nuevo compuesto carborundo por su forma mineral natural corindón.

El carburo de silicio tiene una intrincada estructura cristalina formada por capas compuestas de átomos de silicio y carbono unidos covalentemente en formas de coordinación tetraédricas, creando un semiconductor que oscila entre los estados conductor y aislante, lo que le permite transferir electricidad sin perder energía; lo que lo hace idóneo para los vehículos eléctricos que necesitan una electrónica de potencia capaz de manejar altos voltajes y corrientes.

Es caro.

El carburo de silicio es un material caro de producir, cuyos costes se deben principalmente a las materias primas y a los gastos del proceso de fabricación. Debido a este elevado coste de fabricación, el carburo de silicio solo ha sido adecuado históricamente para aplicaciones a gran escala; sin embargo, los avances tecnológicos pueden ampliar aún más su mercado en un futuro próximo.

El carburo de silicio se utiliza como materia prima en la industria refractaria para producir materiales refractarios de alta calidad, ya que es muy resistente a la corrosión y puede soportar temperaturas extremas. Las operaciones de chorro de arena y rectificado también lo utilizan con eficacia, además de la producción de cerámica y de materiales ferrosos.

El carburo de silicio en estado puro es un aislante eléctrico; sin embargo, dopado con impurezas u otros elementos puede presentar propiedades semiconductoras, lo que lo hace útil en diversos dispositivos electrónicos.

Asia-Pacífico lidera actualmente el mercado mundial del carburo de silicio debido a la elevada demanda de estaciones base de telefonía móvil y componentes de radiofrecuencia, y se prevé que siga siendo el principal generador de ingresos en los próximos años.

Entre los motores del mercado del carburo de silicio figuran el crecimiento de la producción de acero y la adopción mundial de la tecnología de emisiones cero. Es probable que los componentes de carburo de silicio utilizados en vehículos eléctricos impulsen aún más este mercado, ya que son más eficientes energéticamente y ocupan menos espacio que sus equivalentes de combustible.

Es difícil de procesar

El carburo de silicio tiene muchas aplicaciones en diversos campos, pero procesarlo puede ser todo un reto. La producción implica calentar arena de sílice y carbono juntos en hornos de alta temperatura hasta eliminar todas las impurezas de la mezcla (algunas estimaciones cifran la producción de material residual en hasta 40%).

El carburo de silicio en estado puro actúa como aislante, pero cuando se dopa con nitrógeno o fósforo se convierte en semiconductor e incluso puede doparse aún más con aluminio, boro, galio o berilio para producir semiconductores de tipo n y de tipo p, lo que convierte al SiC en un material semiconductor adecuado tanto a altas temperaturas como a niveles de potencia elevados.

Puede que el carburo de silicio siga siendo costoso, pero con el tiempo se convertirá en un componente integral de los dispositivos electrónicos. Gracias a su bandgap energético mucho mayor que el del silicio, el carburo de silicio permite el funcionamiento de dispositivos que operan a temperaturas y voltajes más altos de lo habitual. Esta característica es especialmente importante en los vehículos eléctricos, donde los consumidores exigen mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos.

El carburo de silicio debe cortarse primero en obleas antes de utilizarse en dispositivos electrónicos, un proceso largo y preciso que requiere equipos de alta calidad y conocimientos especializados. Uno de los principales impedimentos para la adopción generalizada del carburo de silicio es que su dureza dificulta su corte, lo que conlleva desperdicios de material y un menor rendimiento de los productos.

Se utiliza en vehículos electrónicos

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor avanzado de tercera generación con potencial para aumentar significativamente el rendimiento y la eficiencia de los vehículos eléctricos. El SiC posee mejores propiedades eléctricas que el silicio tradicional, como rangos de temperatura de trabajo más elevados, mayores temperaturas de unión admisibles, mayor densidad de densidad de potencia y mayor resistencia a la radiación; además, puede manejar tensiones y corrientes elevadas con mayor eficacia, lo que reduce las pérdidas de potencia y aumenta la eficiencia.

El carburo de silicio es una cerámica dura y quebradiza compuesta de silicio y carbono que tiene numerosas aplicaciones. Desde su uso como adhesivo en abrasivos de carborundo y chalecos antibalas hasta la electrónica de alto rendimiento, como los dispositivos electrónicos de potencia y las células fotovoltaicas que contienen carburo de silicio como ingrediente que reduce los costes de fabricación al aumentar la vida útil y disminuir el consumo de energía de los componentes.

United Silicon Carbide ha desarrollado semiconductores de carburo de silicio que pueden ayudar a la industria a encontrar formas de reducir las pérdidas de transmisión de potencia de los vehículos eléctricos, haciendo más eficientes los sistemas de propulsión y los dispositivos de potencia, con reducciones de hasta 30% en la reducción de pérdidas de potencia, mayor densidad de potencia, menor número de componentes y sistemas de carga más rápidos que los semiconductores de la generación anterior. Estos semiconductores de carburo de silicio de tercera generación pueden permitir sistemas de carga aún más rápidos para los vehículos eléctricos.