Propiedades eléctricas del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente resistente capaz de soportar altas temperaturas y tensiones eléctricas, además de poseer cualidades antiabrasión superiores.

El SiC puro es un aislante eléctrico; sin embargo, con impurezas cuidadosamente aplicadas puede transformarse en un material semiconductor. El dopaje con aluminio y boro da lugar a semiconductores de tipo p, mientras que el dopaje con nitrógeno y fósforo produce semiconductores de tipo n.

Bandgap

El amplio valor de la banda prohibida del carburo de silicio lo hace más apto para soportar temperaturas y tensiones más elevadas que otros semiconductores, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de electrónica de potencia de alto rendimiento como diodos, transistores y tiristores.

El valor del bandgap es la diferencia de energía entre las bandas de conducción y de valencia de un material que determina si los electrones pueden atravesarlo. Viene determinado por el tamaño de los átomos y su ubicación: los átomos más pequeños tienen valores de bandgap mayores. La aleación puede alterarlo aún más; los nitruros III-V presentan valores especialmente elevados.

Las bandas anchas permiten que los electrones pasen más fácilmente a través de los materiales, transportando con ellos mayores cantidades de energía, lo que se traduce en una mayor corriente eléctrica y una mejor absorción de la luz. Además, absorben mejor la luz.

Los niveles de energía de un material determinan si actúa como conductor, aislante o semiconductor. La energía de Fermi, el nivel más alto ocupado por los sólidos a bajas temperaturas, determina dónde se sitúan las bandas de valencia y de conducción; cuando están dentro de cualquiera de ellas, participan todos los electrones disponibles para el enlace; de lo contrario, los aislantes no pueden conducir tan libremente debido a la ausencia de electrones presentes para conducir las vías de conducción.

La energía de Fermi se encuentra dentro de la banda de conducción; cuando hay electrones presentes para participar en la conducción. Esto se observa normalmente en los semiconductores.

El dopaje permite manipular la conductividad eléctrica del SiC poroso sinterizado añadiendo impurezas a su estructura cristalina para producir más electrones o huecos libres y modificar así su conductividad eléctrica. Este proceso se emplea habitualmente en la fabricación de dispositivos electrónicos como diodos, transistores, tiristores y células fotovoltaicas. Al rellenar los niveles de energía más bajos con átomos de boro, la adición de boro puede aumentar la conductividad eléctrica de la cerámica SiC porosa sinterizada. Como resultado, esta tecnología reduce la resistencia al tiempo que estrecha las regiones de agotamiento dentro de las redes cristalinas, estrechando así las zonas de resistencia y estrechando las regiones de agotamiento para una mayor eficiencia en dispositivos que funcionan a temperaturas y voltajes más altos que sus homólogos basados en silicio.

Conductividad térmica

El carburo de silicio presenta una alta conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que lo convierte en un material excelente para aplicaciones que requieren gestión del calor. Además, su capacidad calorífica específica -la cantidad de energía por unidad de masa que puede absorber- hace que este material sea muy útil. Además, sus eficaces propiedades de transferencia de calor reducen el riesgo de tensión térmica o formación de microgrietas, mientras que su bajo coeficiente de expansión térmica garantiza riesgos mínimos de tensión o formación de microgrietas.

La conductividad térmica de los materiales depende de su densidad de empaquetamiento atómico o molecular. En los metales, la densidad de empaquetamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura debido al mayor movimiento vibratorio de sus átomos y moléculas, lo que reduce los caminos libres medios a través de las redes cristalinas. Los no metales, sin embargo, presentan relaciones más complicadas; el aumento de la densidad de empaquetamiento puede aumentar la conductividad térmica, pero es importante no pasar por alto otros factores que podrían alterarla, como la dispersión de fonones de electrones.

La composición química y las condiciones de procesamiento del carburo de silicio poroso pueden influir drásticamente en sus propiedades eléctricas, como la conductividad. Para mantener la uniformidad y maximizar los efectos positivos sobre las propiedades electrotérmicas de los materiales de carburo de silicio poroso, los dopantes utilizados deben distribuirse uniformemente en cada lote de material que contenga dopantes utilizados con fines de dopaje. También es esencial que sus niveles de concentración sean correctos; los métodos analíticos a granel y espacialmente resueltos pueden ayudar a conseguir este objetivo.

La amplia banda prohibida y la excelente conductividad térmica del carburo de silicio lo convierten en un material semiconductor ideal para muchas aplicaciones diferentes. A menudo se utiliza en dispositivos electrónicos de potencia, como diodos, transistores y tiristores, donde su resistencia superior a voltajes y temperaturas más elevados lo convierte en el material preferido. Además, su elevada capacidad calorífica específica le permite absorber y disipar grandes cantidades de energía con rapidez y eficacia.

EAG Laboratories cuenta con una amplia experiencia en el ensayo y análisis de las propiedades electrónicas del carburo de silicio. Nuestras avanzadas técnicas analíticas pueden ayudar a comprender cómo afectan los distintos dopantes a las propiedades electrónicas y térmicas del carburo de silicio. Además, podemos garantizar que su carburo de silicio contiene niveles adecuados de dopantes de tipo n, como nitrógeno y fósforo, o dopantes de tipo p, como berilio, boro o aluminio, y que no existen contaminantes indeseables en su composición.

Resistividad

La resistividad mide el grado en que los materiales conductores bloquean la corriente eléctrica. Mide con qué fuerza se oponen al movimiento de los electrones y tiene unidades SI de ohmios (). La resistividad de los metales oscila entre 0 y 100 ohmios; los números más altos indican una mayor resistencia contra el flujo de electrones; las longitudes más largas tienden a tener valores de resistencia más bajos que las más cortas.

El valor de resistividad eléctrica del carburo de silicio se sitúa entre el oro y el vidrio. Aunque en estado puro el carburo de silicio actúa como aislante, puede hacerse semiconductor dopándolo con impurezas de aluminio, boro, galio y nitrógeno; la adición de estas impurezas permite formar semiconductores de tipo P y N con propiedades de semiconductividad y conmutabilidad en función de la temperatura o el voltaje.

El bajo valor de resistividad del carburo de silicio lo hace ideal para aplicaciones de electrónica de potencia que requieren amplios rangos de temperatura. Además, la tolerancia del carburo de silicio a las tensiones mecánicas le permite prosperar incluso en entornos difíciles en los que otros materiales más tradicionales fallarían.

La amplia gama de temperaturas del carburo de silicio lo hace idóneo para dispositivos de conversión de potencia como convertidores, rectificadores y controladores CC/CC. Además, su mayor bandgap le permite transferir energía eléctrica con más eficacia que los semiconductores con bandgaps más pequeños.

La porosidad del carburo de silicio poroso aumenta su resistividad eléctrica. Esta tendencia puede explicarse por la reducción de la conducción de electrones a través de los poros. La composición química y las condiciones de procesado desempeñan un papel importante.

La resistencia de los materiales puede calcularse dividiendo la corriente eléctrica que los atraviesa por la tensión aplicada, y el resultado se expresa en ohmios por metro (OHMS/m). Esta unidad permite comparar la resistencia de distintos conductores: el cobre se considera un excelente conductor, mientras que el hierro tiene niveles de resistividad más elevados.

Rigidez dieléctrica

La rigidez dieléctrica mide la corriente eléctrica máxima que un material puede tolerar antes de sucumbir a la ruptura dieléctrica, un criterio importante para evaluar la calidad del aislamiento cuando se utiliza en aplicaciones de alta tensión, como la electrónica de potencia. Las pruebas suelen consistir en aplicar tensión hasta que se produce la ruptura dieléctrica y registrar los resultados en voltios por milímetro (V/m, MV/m o voltios por centímetro).

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico inorgánico formado por silicio y carbono. Como material semiconductor con características energéticas de banda prohibida ancha, el SiC es ideal para aplicaciones de conmutación como los inversores de tracción de vehículos eléctricos o los convertidores CC/CC de los aires acondicionados. Por su resistencia a las altas temperaturas, la oxidación, los golpes, la corrosión y el desgaste, es una opción excelente para los frenos y embragues de los automóviles o las placas cerámicas de los chalecos antibalas, por no hablar de su eficacia como material abrasivo, con una dureza de 9 en la escala de Mohs, frente a la de 10 del diamante. Además, el SiC es un material abrasivo muy popular, con una dureza de 9 en la escala de Mohs, frente a los 10 del diamante.

Las propiedades aislantes del SiC se derivan de su combinación única de silicio y carbono unidos por fuertes enlaces covalentes en su red cristalina. El SiC es duro, quebradizo y difícil de romper a pesar de tener un punto de fusión superior a 2.000degC y un bajo coeficiente de dilatación térmica; además, su resistencia a la oxidación permite utilizarlo con eficacia incluso en entornos agresivos en los que otros materiales se degradarían rápidamente con el paso del tiempo.

El SiC es un excelente aislante eléctrico en estado puro, pero el dopaje con impurezas para producir efectos similares a los de los semiconductores puede transformar sus propiedades. El dopaje con aluminio o boro da lugar a un comportamiento semiconductor de tipo P, mientras que las impurezas de nitrógeno y fósforo producen un comportamiento de tipo N. Esto permite utilizar el SiC en muchas aplicaciones gracias a su capacidad para controlar eficazmente los niveles de impurezas.

Las propiedades aislantes del SiC se miden mediante el ensayo de rigidez dieléctrica especificado en la norma IEC 61010-1. Esta medición comprueba cuánta tensión puede soportar una muestra antes de experimentar una ruptura dieléctrica, normalmente a través de una descarga eléctrica. Los ensayos de rigidez dieléctrica suelen realizarse en entornos de laboratorio controlados, pero también pueden llevarse a cabo in situ para evaluar el rendimiento de los equipos eléctricos sobre el terreno.