Carburo de silicio: un aislante eléctrico con propiedades únicas

El carburo de silicio es un material apasionante con propiedades excepcionales, que van desde el aislamiento eléctrico hasta la conductividad en función de la composición y el proceso de fabricación.

Hacerlo conductor dopándolo con nitrógeno, fósforo, aluminio o boro; esto permite utilizarlo en dispositivos electrónicos como diodos y transistores.

Características

El carburo de silicio es un material excepcional con numerosas características deseables que lo hacen extremadamente duradero y adecuado para aplicaciones de alto rendimiento, incluida una excelente conductividad térmica, buena resistencia a la abrasión, funcionamiento a temperaturas elevadas sin debilitamiento de la resistencia o la integridad, bajos índices de coeficiente de expansión térmica que proporcionan tolerancias ajustadas, rendimiento estable.

El carburo de silicio tiene una conductividad eléctrica mucho mayor que el silicio, su primo más popular. Esto permite que los dispositivos electrónicos construidos con carburo de silicio amplifiquen, conmuten o conviertan señales dentro de un circuito eléctrico con mayor eficacia que los semiconductores tradicionales que utilizan silicio.

Material que presenta semiconductividad. Con la adición controlada de impurezas o dopantes, como los dopantes de impurezas, puede mostrar propiedades de semiconductividad. Como tal, este material se ha vuelto cada vez más útil en diversas aplicaciones funcionales, incluida la electrónica que funciona a voltajes, frecuencias y temperaturas elevados.

A temperatura ambiente, el SiC hexagonal de tipo n tiene una conductividad eléctrica intrínseca de 1,3+-0,2×104 ohm-cm-1 que puede aumentarse con dopantes como aluminio, boro, galio, nitrógeno o fósforo para producir una mayor conductividad. La adición de boro conduce a la formación de semiconductores de tipo p, mientras que el nitrógeno o el fósforo producen semiconductores de tipo N. Los dopantes también afectan a la apertura de la banda y a las características de superconductividad de este material.

Las cerámicas porosas de carburo de silicio que presentan propiedades térmicas y eléctricas controlables se han convertido en una solución atractiva para numerosas aplicaciones industriales, con una excelente permeabilidad, propiedades mecánicas, estabilidad química y comportamiento de sinterización como señas de identidad del éxito.

Esto se debe en parte a su densidad y rigidez extremadamente bajas, que lo hacen ligero sin dejar de ser fuerte y rígido. Además, su excelente resistencia a la flexión facilita el procesamiento de formas complejas, mientras que su resistencia superior al desgaste lo hace perfecto para aplicaciones que implican una herramienta de rectificado agresiva.

Aplicaciones

El carburo de silicio (SiC) se utiliza ampliamente en aplicaciones que requieren alta calidad, fiabilidad y eficiencia. Gracias a sus propiedades de banda prohibida ancha, el SiC puede funcionar a temperaturas, tensiones y frecuencias más altas que otros materiales semiconductores, al tiempo que presenta una excelente conductividad térmica que puede ayudar a minimizar las pérdidas de potencia en los dispositivos electrónicos. Además, la capacidad del SiC para soportar tensiones mecánicas lo hace especialmente adecuado en entornos difíciles en los que otros materiales podrían fallar.

El ancho de banda del carburo de silicio permite fabricar componentes electrónicos más pequeños y potentes que pueden soportar tensiones más altas sin fallar. Esta característica es especialmente importante en los sistemas de inversores de vehículos eléctricos, que deben manejar niveles de corriente extremadamente altos sin fallar. La resistencia del carburo de silicio a tensiones y corrientes más elevadas ayuda a ampliar la autonomía mejorando la eficiencia de los inversores.

Las cerámicas porosas de carburo de silicio tienen numerosas aplicaciones, desde componentes estructurales en reactores de fusión nuclear y blindaje electromagnético hasta regulación de la resistividad electromagnética. Su resistividad puede variar significativamente en función de factores como el tipo de polímero, las condiciones de procesamiento, la porosidad y la composición de los aditivos.

El carburo de silicio se descubrió por primera vez en 1891 y se creó inicialmente calentando arena de sílice con coque de petróleo como fuente de carbono en un horno Acheson. Una vez producido, se molía en granos para su uso en bombillas y detectores de radio; el color verde o negro refleja la pureza, donde el verde indica mayor pureza que el SiC negro.

La conductividad eléctrica del carburo de silicio poroso puede variar significativamente en función del tipo de polímero, la temperatura de sinterización, el contenido de plantilla y la composición del aditivo. Okamoto et al. informaron de que la adición de pequeñas cantidades de silicio (1,4mol%) no alteraba la temperatura de sinterización ni el rendimiento; sin embargo, más de 5mol% de aditivo de Si mejoraba significativamente ambos. Además, se han observado altos coeficientes Seebeck en muestras de b-SiC, lo que sugiere que los aceptores profundos creados mediante el dopaje con Si o Al pueden compensar las impurezas y aumentar la temperatura de sinterización.

Fabricación

El carburo de silicio se produce calentando arena con fuentes de carbono como el coque de petróleo en un horno Acheson, creando condiciones de alta temperatura que forman granos cristalinos de carburo de silicio en sus variantes Verde y Negro. Su color indica su grado de pureza, siendo el carburo de silicio verde más puro que el negro.

La conductividad eléctrica del carburo de silicio se debe a su estructura cristalina. En estado puro, el carburo de silicio actúa como aislante y resiste el flujo de electricidad; pero al añadir impurezas o dopantes como átomos de nitrógeno y fósforo en su estructura cristalina, el carburo de silicio dopado puede revelar propiedades semiconductoras; el carburo de silicio dopado con berilio aluminio boro galio crea un semiconductor de tipo n.

La combinación de resistencia, dureza y conductividad térmica del carburo de silicio lo convierten en un material inestimable para usos industriales, como herramientas de rectificado y corte, así como equipos de protección y componentes de ingeniería de alto rendimiento, como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena y matrices de extrusión. Además, su bajo coeficiente de expansión/contracción a altas temperaturas lo hace ideal para crear componentes que requieran integridad estructural en condiciones ambientales o de temperatura difíciles.

La baja reactividad del carburo de silicio con el agua lo hace ideal para fabricar componentes que necesitan un contacto prolongado con el líquido, como los utilizados para disipar el calor. Además, su no reactividad le permite soportar la exposición a sustancias químicas corrosivas, lo que lo convierte en el componente perfecto para aplicaciones que deben funcionar en diferentes condiciones ambientales.

La singular estructura atómica del carburo de silicio también le permite soportar altas tensiones, lo que lo hace cada vez más valioso en la industria electrónica. Los semiconductores, componentes clave de la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos, requieren temperaturas, tensiones y frecuencias cada vez mayores para funcionar correctamente. El carburo de silicio posee una brecha energética de banda prohibida excepcionalmente ancha (tres veces mayor que la del silicio), lo que le permite satisfacer estas mayores demandas de potencia sin sufrir daños ni averías.

Dopaje

El carburo de silicio es un material semiconductor, es decir, se sitúa entre los metales (que conducen la electricidad) y los aislantes (que no la conducen). El carburo de silicio se ha utilizado tradicionalmente para aplicaciones estructurales; sin embargo, en los últimos años sus propiedades térmicas y eléctricas controlables han suscitado interés para usos funcionales avanzados2,2.

Las propiedades de semiconducción del SiC pueden controlarse mediante la adición controlada de impurezas y agentes dopantes y la temperatura. El SiC en estado puro es un aislante eléctrico; con la adición de impurezas adicionales se vuelve resistente y muestra resistencia debido a su amplia banda de separación que permite a los electrones moverse libremente por toda su composición.

La banda de separación del carburo de silicio es tres veces más ancha que la del silicio, lo que lo convierte en el mejor semiconductor para aplicaciones de alto voltaje, como la electrónica. Su mayor brecha de banda permite diseños electrónicos más pequeños, ligeros y energéticamente eficientes, además de ofrecer una mayor estabilidad a altas temperaturas y tensiones que otros semiconductores.

Como ocurre con otros semiconductores, la conductividad del SiC depende de sus niveles de dopaje. Los dopantes son átomos que llenan los sitios vacantes de la red para introducir portadores de carga adicionales en su estructura cristalina, aumentando el flujo de electrones a través de ella y alterando así sus propiedades eléctricas. El dopaje puede conseguirse añadiendo distintos elementos a la materia prima, como aluminio, berilio, boro, galio, nitrógeno o fósforo, por ejemplo.

Aunque es factible una serie de niveles de dopaje, deben respetarse ciertas restricciones. Si los dopantes superan determinados umbrales de concentración, el material se convertirá en no conductor; para evitarlo, los procesos de dopaje suelen realizarse a baja presión o al vacío.

Otros factores que afectan a la resistividad eléctrica del carburo de silicio son su poliotipo y las condiciones de procesamiento. Por ejemplo, cuando se sinteriza en condiciones idénticas de procesamiento y porosidad, el b-SiC tiene menor resistividad eléctrica debido a su menor energía de banda prohibida y mayor solubilidad para el gas nitrógeno que su homólogo a-SiC; esto puede explicarse por su menor energía de banda prohibida, así como por la mayor solubilidad del N2. Sin embargo, utilizando diferentes atmósferas de sinterización y nitruros metálicos también puede ser posible diseñar composiciones con resistividad eléctrica controlada como este b-SiC.