¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio, más comúnmente conocido como carborundo, es un compuesto químico extremadamente duro con propiedades tanto de metal como de aislante a diferentes temperaturas. Se utiliza en aplicaciones industriales que requieren aplicaciones de larga duración.

El SiC verde es un material cerámico extremadamente duro y resistente a la corrosión sintetizado por primera vez por Edward Acheson en 1891 mediante el calentamiento combinado de arena de sílice y coque de petróleo en un horno especial. Presenta propiedades excepcionales, como buena resistencia a la corrosión, alta resistencia mecánica, baja expansión térmica y notable resistencia al choque térmico.

Conductividad intrínseca

El carburo de silicio (SiC) es un material excepcional caracterizado por una resistencia y dureza superiores, inercia química, resistencia al choque térmico y propiedades de banda prohibida ancha que lo hacen adecuado para muchas aplicaciones industriales exigentes, como cojinetes de deslizamiento, piezas de desgaste, crisoles, componentes semiconductores de ayuda a la sinterización, así como boquillas de quemadores.

El SiC actúa como un aislante cuando se produce puro; pero con la adición controlada de impurezas o dopantes puede presentar propiedades semiconductoras. Los dopantes de aluminio, boro o galio producen semiconductores de tipo P; la adición de dopantes de fósforo o nitrógeno crea semiconductores de tipo N. Su capacidad para alterar la concentración de electrones y huecos -la diferencia entre su número en las bandas de conducción y valencia- está directamente relacionada con la conductividad.

La conductividad intrínseca de un semiconductor viene determinada por varios factores, como su energía de Fermi, la altura de sus bandas de valencia y conducción, la movilidad de los electrones en su banda de conducción y la carga por electrón. Cuando más átomos de la banda de valencia están ligados a sus orbitales atómicos de origen, tienen energías de Fermi más bajas que les hacen menos propensos a ser promovidos a la conducción a través de las vibraciones térmicas de la red de SiC (emisión de fonones). A temperatura ambiente, los portadores de carga intrínsecos se distribuyen uniformemente en ambas bandas, con el mismo número de electrones y huecos por banda, lo que hace que el SiC sea un mejor conductor en general.

Sin embargo, cuando se calienta a temperaturas elevadas, su banda de valencia se vacía parcialmente, ya que los átomos de silicio ya no experimentan suficientes vibraciones térmicas para excitar suficientemente sus modos vibracionales. Esto hace que algunos de los electrones de valencia pasen a su banda de conducción y aumente significativamente la conductividad.

A medida que aumenta la temperatura, los electrones y los huecos se recombinan hasta alcanzar un punto de equilibrio a la temperatura característica de un semiconductor. La conductividad puede aumentarse aún más utilizando corrientes eléctricas o radiación electromagnética para estimular la generación y recombinación de pares electrón-hueco, lo que permite a dispositivos electrónicos como diodos y transistores funcionar a tensiones y frecuencias más altas sin comprometer la fiabilidad.

Conductividad en los límites de los granos

El carburo de silicio posee una intrincada estructura cristalina con numerosos poliotipos. Cada secuencia de apilamiento genera combinaciones de orientación únicas debido a consideraciones energéticas (tanto las traslaciones laterales como las rotaciones son posibles), lo que da lugar a cientos de configuraciones posibles por capa en una muestra experimental de SiC.

Para comprender mejor la conductividad del SiC, es necesario considerar todas las direcciones posibles de transporte de carga. Para ello, se realizaron mediciones de impedancia compleja en muestras cuyos límites de grano (GB) se habían identificado mediante análisis EBSD y se ajustaron a un modelo que tenía en cuenta las conductividades tanto de la masa como de los GB; los resultados muestran que la conductividad gB es la fuerza dominante que determina las propiedades generales de transporte eléctrico a temperaturas elevadas.

La conductividad gB depende en gran medida de la temperatura y del tamaño del grano, influyendo también el procedimiento de enfriamiento y las impurezas presentes en el límite del grano. La figura 5a ilustra esta relación comparando la conductividad iónica del grano obtenida mediante este trabajo con los valores de la bibliografía para cerámicas fundidas; puede verse que su ajuste con los valores de la bibliografía para cerámicas fundidas es muy cercano; cualquier variación notificada probablemente se deba a diferencias en el método de preparación de la muestra de gránulos utilizado para la medición, a un ajuste inexacto de la impedancia o a cálculos incorrectos de los circuitos equivalentes.

Normalmente, la conductividad gB disminuye al aumentar la temperatura y el contenido de impurezas; este efecto es mucho menos pronunciado en los materiales puros que contienen cantidades significativas de segundas fases que en los que contienen cantidades importantes. A medida que aumenta la temperatura, disminuye la movilidad de los electrones; es más probable que queden atrapados en las estructuras de gB obstaculizadas por defectos estructurales, lo que explica por qué los niveles de conductividad del SiC de alta pureza tienden a ser inferiores a los de las formas disponibles en el mercado; para compensar esta situación, pueden añadirse partículas de segunda fase conductoras de la electricidad a baja temperatura y, con el tiempo, reducir la conductividad de gB a niveles que satisfagan las necesidades de las aplicaciones prácticas.

Conductividad en la superficie de los granos

El carburo de silicio, comúnmente conocido como SiC, es un grupo muy diverso de materiales que van desde la cerámica fabricada a partir de cristalitos de SiC impuros unidos entre sí mediante diversos aglutinantes a alta temperatura y presión hasta las obleas industriales producidas mediante deposición química de vapor o crecimiento al vacío de cristalitos de SiC. Cada tipo de carburo de silicio presenta propiedades físicas distintas, como la conductividad eléctrica, que dificultan la predicción de su rendimiento en aplicaciones específicas.

La conductividad es una propiedad de la estructura atómica, determinada por la composición y el tamaño de grano del material. La conductividad de un bicristal de carburo de silicio puede verse afectada por la composición y la estructura del límite de grano, así como por el método de formación; por ejemplo, su conductividad de tipo n puede depender de las impurezas de oxígeno en su interfaz con el óxido nativo, algo que se observa mediante microscopía electrónica de barrido y microscopía dieléctrica no lineal de barrido (SNDM).

Al igual que el SiC, el SiC semiconductor puede presentar características de tipo p mediante el dopaje con aluminio, boro, galio o nitrógeno, mientras que el dopaje con nitrógeno o fósforo da lugar a características de tipo n. El aumento del dopaje aumenta la conductividad eléctrica, pero debe tenerse en cuenta el aumento de la superficie a la hora de hacer predicciones sobre la conductividad global de los materiales. Un mayor dopaje aumenta la conductividad eléctrica, pero hay que tener en cuenta el aumento de la superficie a la hora de hacer predicciones sobre la conductividad global de los materiales.

La resistencia de un límite de grano viene determinada por su estructura atómica, ya que las fluctuaciones en el potencial atómico periódico de los cristales adyacentes hacen que los electrones se dispersen a lo largo de su límite y disminuyan la resistividad. Como los átomos tienden a agruparse más densamente en los límites de los granos debido a su menor separación, su resistencia tiende a ser mayor que las resistividades interiores; esta proximidad contribuye a que se formen moléculas de óxido que reducen aún más la conductividad; pero este efecto puede minimizarse diseñándolos de forma que sean lo más lisos y densos posible.

Conductividad en intervalos de grano

El carburo de silicio (SiC) se ha utilizado ampliamente en dispositivos electrónicos por su mayor conductividad, movilidad de electrones y menor pérdida de potencia a altas temperaturas. Gracias a esta propiedad, dispositivos como los diodos Schottky y los transistores que amplifican, conmutan o convierten señales eléctricas en circuitos electrónicos pueden construirse más fácilmente que con otros materiales.

El SiC puede sufrir una degradación significativa de la conductividad debido a la resistencia de los límites de grano, causada por los cambios en su potencial atómico periódico en relación con el de la red de SiC a granel. Como los electrones atraviesan múltiples límites dentro de esta región, los cambios en el potencial pueden inducir una dispersión de electrones que aumente significativamente la resistencia en comparación con la que se encuentra dentro del material a granel.

Los investigadores han estudiado los efectos del carbono en la conductividad de los policristales y bicristales de SiC para comprender este fenómeno. Como parte de su experimento, estudiaron un bicristal pulido que contenía un 5 por ciento en peso de aditivo de carbono, utilizando la microscopía de sonda de barrido-nanoindentación-difracción para analizar las medidas de energía superficial tanto de este espécimen como de un monocristal tipo p de SiC. También realizaron un mapeo de grano resuelto por EBSD, imágenes topográficas de tipo portador, así como imágenes topográficas de tipo portador/concentración en cada uno de ellos para mayor claridad.

Topográficamente, la superficie de un bicristal parecía plana; sin embargo, las imágenes de tipo y concentración de portadores revelaron un área oscura cerca de su límite de grano causada por capas de agotamiento de portadores provocadas por la sustitución de Sc en sitios de Si de su red de composición aditiva de SiC durante la sinterización.

El análisis EBSD confirmó la existencia de una capa de agotamiento y mostró que su composición incluía partículas de SiAlON y b-Si3N4 en sus límites de grano (GB). Además, sus valores de s reflejaban los encontrados para el SiC a granel. Además, los bajos valores de s indican que la mayor parte de la conductividad procede de la dispersión de fonones más que de electrones libres; lo que encaja bien con la dependencia de la temperatura de la conductividad térmica tanto para los cuerpos prístinos como para los cuerpos de C-SiC.