¿Qué es la conductividad eléctrica del carburo de silicio?

El carburo de silicio (SiC) es un sólido intermetálico que se sitúa entre los metales (conductores de la electricidad) y los aislantes, con amplias bandas de separación y gran movilidad de electrones, lo que lo convierte en un material atractivo para aplicaciones de electrónica de potencia.

La capacidad del silicio para resistir el ataque químico a altas temperaturas y su resistencia en una amplia gama de temperaturas lo hacen ideal para elementos calefactores de resistencia en hornos de semiconductores y termistores; sin embargo, a diferencia de los metales, no conduce la electricidad con tanta eficacia.

Conductividad

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro y resistente con muchas propiedades únicas que pueden adaptarse a diferentes aplicaciones. Como aislante a temperaturas bajas y conductor a temperaturas más altas, el carburo de silicio es un material excelente para aplicaciones a altas temperaturas, como refractarios y herramientas de corte, así como para la fabricación de semiconductores, componentes aeroespaciales y sistemas de gestión térmica.

La fuerte estructura cristalina insoluble del carburo de silicio lo hace muy resistente a la corrosión y el desgaste. Con una dureza de 9 en la escala de Mohs, se sitúa un escalón por debajo del diamante en cuanto a dureza. El carburo de silicio se utiliza ampliamente como material abrasivo, además de ser uno de los materiales sintéticos más duros; su resistencia al impacto y al calor lo convierten en una materia prima esencial en la producción de acero, cerámica refractaria y productos químicos inorgánicos.

El SiC es una sustancia insoluble de color gris a marrón compuesta por cuatro tetraedros de silicio y carbono unidos mediante enlaces covalentes, lo que lo convierte en un material inorgánico de gran durabilidad, resistente al ataque de ácidos y álcalis y a temperaturas de hasta 1600degC. El SiC es un material excelente para rectificar otros carburos, cerámicas o metales no ferrosos que pueden ser más frágiles o blandos que su material de superficie dura.

El SiC poroso depende en gran medida de su composición química, condiciones de procesamiento y microestructura; en concreto, de su poliotipo, nivel de dopaje, porosidad y composición de aditivos (nitruros y carburos metálicos). Además, la atmósfera de sinterización tiene un profundo impacto en su conductividad eléctrica al cambiar la estructura de la fase cristalina y alterar las transiciones de b a a.

Recientemente, un equipo de investigación estudió la influencia de la atmósfera de sinterización en la conductividad eléctrica del SiC poroso con una composición de Y2O3 + AlN. Su investigación determinó que el sinterizado con Ar resultaba superior para reducir su conductividad en comparación con el sinterizado al vacío, debido a la reducción de las tasas de transformación de b a a y al dopaje con N del material sinterizado.

El coeficiente Seebeck del SiC puro oscila entre -70 y -200 uV K-1, mientras que el polvo de SiC comercial contiene impurezas de N procedentes del aire que hacen que su conductividad sea de tipo n. Sin embargo, su conductividad puede modificarse a tipo p añadiendo un aditivo de 3-5% C. Sin embargo, su conductividad puede alterarse a tipo p añadiendo aditivo 3-5% C.

Temperatura

La temperatura desempeña un papel fundamental en la conductividad eléctrica del carburo de silicio. A temperaturas más bajas, el carburo de silicio se comporta más como un aislante, resistiendo el flujo de electricidad; a temperaturas más altas, sin embargo, su estructura cristalina permite que los fonones se muevan más libremente y que la electricidad pase más fácilmente.

El carburo de silicio puede modificarse para que muestre propiedades semiconductoras mediante la adición cuidadosa de impurezas o dopantes, incluyendo aluminio, boro o galio como dopantes; el dopaje con nitrógeno o fósforo producirá un semiconductor de tipo N.

Las propiedades del carburo de silicio lo convierten en un material inestimable para dispositivos de alta potencia y aplicaciones industriales de vanguardia. Además, su resistencia a la corrosión química y al desgaste lo convierten en un material versátil adecuado para usos de vanguardia.

Para comprender mejor cómo afecta la temperatura a la conductividad del carburo de silicio, los investigadores han estudiado varios compuestos y fibras. Por ejemplo, han comparado la conductividad eléctrica de las fibras de SiC producidas mediante infiltración química de vapor con las creadas mediante impregnación-pirólisis polimérica (PIP). Sus resultados demostraron variaciones significativas entre las conductividades térmicas de los materiales PIP-SiC y CVI-SiC que oscilan entre 20 y 1000 grados Celsius.

Los investigadores también analizaron el efecto del contenido de carbono en la conductividad del material. Observaron que el sinterizado de las muestras en Ar reducía más la resistividad eléctrica debido a la reducción de la transición de fase b a a y al dopado con N de las muestras que el sinterizado al vacío.

La conductividad térmica también mejoró al aumentar la cantidad de carbono añadido, posiblemente porque el exceso de carbono forma una solución sólida en la red de SiC que permite un flujo de fonones más libre. Además, la sinterización puede alterar los parámetros reticulares del cristal de SiC y ser uno de los factores por los que las muestras de C-SiC y Si-SiC presentaban coeficientes Seebeck más elevados que sus homólogas de SiC puro.

Porosidad

El carburo de silicio es un material extremadamente duro, resistente a los productos químicos y termoconductor, con excelentes propiedades de conductividad térmica, que se utiliza en todos los sectores: tribológico, eléctrico, mecánico y nuclear. Gracias a sus bajos índices de fricción y desgaste, permite operaciones con menor potencia (P) pero mayor velocidad o velocidad de rotación (V), lo que lo hace especialmente útil en elementos de sellado mecánico que deben soportar tanto cargas de compresión como altas velocidades de deslizamiento.

Sin embargo, la conductividad intrínseca del carburo de silicio hexagonal de tipo n es baja; para aumentarla aún más y mejorar más la conductividad, debe aumentar la porosidad mediante técnicas de fase líquida a baja presión (LPP), como el uso de 0,01 bares de presión en LPP para crear poros en los cristales, mucho más barato que los métodos tradicionales, como el prensado isostático en caliente, al tiempo que se obtienen productos de carburo de silicio poroso de mayor calidad.

La estructura porosa del carburo de silicio permite el libre paso de los electrones, lo que disminuye su resistencia eléctrica y aumenta su conductividad. Este efecto se consigue a través de los niveles de energía que se forman cerca de su banda prohibida, que pueden alterarse utilizando diversos aditivos, como aceptores de C y N2, para reducir la resistividad eléctrica, mientras que los donantes de B y V la aumentan.

Para lograr la porosidad deseada, es fundamental gestionar cuidadosamente los parámetros de sinterización. Además, el proceso debe llevarse a cabo en condiciones que preserven la integridad de la microestructura, por ejemplo, añadiendo polímeros fugitivos al lote bruto. Esto nos permite controlar el tamaño, la forma y la cantidad de los poros y controlar la porosidad durante la sinterización; de ahí el término carburo de silicio de porosidad controlada o PCSSC.

Una de las principales aplicaciones del SiC poroso son las juntas mecánicas de estanqueidad, que deben resistir condiciones de alta FV y velocidad de deslizamiento, así como fluctuaciones de temperatura. Estas propiedades convierten al SiC poroso en un componente inestimable no sólo para los sellos mecánicos, sino también para muchas otras aplicaciones que exigen bajos índices de fricción/desgaste, algo que hasta hace poco no era fácil de conseguir con los materiales disponibles en el mercado.

Dopaje

El carburo de silicio puede modificarse para producir diferentes propiedades eléctricas mediante el dopaje. El dopaje consiste en añadir impurezas a su estructura cristalina que crean más portadores de carga libres (electrones o huecos). El dopaje puede aumentar o disminuir la conductividad eléctrica del carburo de silicio; el dopaje se practica ampliamente en la industria de los semiconductores como medio eficaz para regular las características del material.

El dopaje del carburo de silicio consiste en introducir impurezas con un número de electrones de valencia inferior al de los átomos de SiC en su estructura cristalina, lo que crea un estado de electrones vacíos en su banda prohibida que puede llenarse con electrones excitados térmicamente de su banda de valencia; este proceso produce lo que se conoce como un semiconductor de tipo N; para cambiar aún más estas propiedades, se puede formar un semiconductor de tipo p sustituyendo algunos átomos de SiC por otros con más electrones de valencia, como los átomos de Al, Be, Boro o Galio, que pueden producir efectos similares; a su vez, esto crea un semiconductor de tipo N que también puede resultar en un semiconductor dopado.

La mayoría de los dispositivos semiconductores combinan semiconductores de tipo N y de tipo p en una unión PN y la hacen funcionar bajo polarización directa para aumentar la conductividad eléctrica induciendo el flujo de electrones de un semiconductor a otro a través del potencial incorporado positivo inducido por la polarización directa del semiconductor de tipo p para que fluya más libremente hacia el semiconductor de tipo N, aumentando la conductividad eléctrica.

La conducción óhmica se produce cuando la energía de los electrones se disipa dentro de un material semiconductor para generar calor, aumentando la conductividad eléctrica de su conductividad eléctrica y, por tanto, la temperatura de un dispositivo puede alterarse cambiando el voltaje aplicado.

La conductividad eléctrica del carburo de silicio poroso depende de diversas variables, como la concentración de dopantes, la temperatura y el campo eléctrico. Un estudio sobre dos tipos de carburo de silicio poroso demostró que el 4H-SiC tenía mayor conductividad que el 6H-SiC; además, los dopantes y la porosidad afectan significativamente a su conductividad.

El carburo de silicio poroso se utiliza con mayor frecuencia en compuestos y fibras, mientras que sus aplicaciones más populares implican compuestos hechos con matrices que contienen sílice y metales y fibras ricas en carbono creadas mediante infiltración química de vapor o procesos de impregnación-pirólisis de polímeros. Diferentes empresas venden distintos tipos de carburo de silicio según la aplicación y las propiedades deseadas; por ejemplo, Matmatch dispone de una amplia gama de productos de varios fabricantes de carburo de silicio.