Mikä on piikarbidin sähkönjohtavuus?

Piikarbidi (SiC) on metallien välinen kiinteä aine, joka sijaitsee jossain sähköä johtavien metallien ja eristeiden välissä, ja jolla on laajat kaistavälit ja suuri elektronien liikkuvuus, mikä tekee siitä houkuttelevan materiaalivalinnan tehoelektroniikan sovelluksiin.

Piin kyky vastustaa kemiallisia hyökkäyksiä korkeissa lämpötiloissa ja sen lujuus laajalla lämpötila-alueella tekevät siitä ihanteellisen puolijohdeuunien ja termistoreiden vastuslämmityselementtien valmistukseen; toisin kuin metallit, pii ei kuitenkaan johda sähköä yhtä tehokkaasti.

Johtavuus

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova ja sitkeä materiaali, jolla on monia ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voidaan räätälöidä eri sovelluksiin. Koska SiC on eriste matalammissa lämpötiloissa ja johdin korkeammissa lämpötiloissa, se on erinomainen materiaalivalinta käytettäväksi korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten tulenkestävissä materiaaleissa ja leikkuutyökaluissa sekä puolijohteiden valmistuksessa, ilmailu- ja avaruusalan komponenttien valmistuksessa ja lämmönhallintajärjestelmissä.

Piikarbidin vahva, liukenematon kiderakenne tekee siitä erittäin korroosion- ja kulutuskestävää. Mohsin asteikon kovuus on 9, joten se on kovuudeltaan vain yhden askeleen timanttia huonompi. Piikarbidia käytetään laajalti hioma-aineena ja se on yksi kovimmista synteettisistä materiaaleista. Iskunkestävyys ja lämmönkestävyys tekevät siitä olennaisen raaka-aineen teräksen, tulenkestävien keraamisten tuotteiden ja epäorgaanisten kemikaalien valmistuksessa.

SiC on harmaasta ruskeaan vaihteleva liukenematon aine, joka koostuu neljästä pii- ja hiilitetraedristä, jotka on sidottu toisiinsa kovalenttisin sidoksin, mikä tekee siitä epäorgaanisen materiaalin, jolla on suuri kestävyys, joka kestää happoja ja emäksiä ja jonka lämpötila voi nousta jopa 1600 degC:seen. SiC on erinomainen materiaali, kun hiotaan muita karbideja, keramiikkaa tai muita kuin rautametalleja, jotka voivat olla hauraampia tai pehmeämpiä kuin sen kova pintamateriaali.

Huokoinen piikarbidi on erittäin riippuvainen sen kemiallisesta koostumuksesta, käsittelyolosuhteista ja mikrorakenteesta, erityisesti sen polytyypistä, seostustasosta, huokoisuudesta ja lisäaineiden koostumuksesta (metallinitridit ja karbidit). Lisäksi sintrausilmakehällä on suuri vaikutus sen sähkönjohtavuuteen muuttamalla kiteistä faasirakennetta ja muuttamalla b-a-siirtymiä.

Eräs tutkimusryhmä tutki hiljattain sintrausilmakehän vaikutusta huokoisen SiC:n sähkönjohtavuuteen, jonka koostumus on Y2O3 + AlN. Heidän tutkimuksessaan todettiin, että Ar-sintraus osoittautui paremmaksi sen johtavuuden alentamisessa verrattuna tyhjiösintraukseen, mikä johtui pienemmistä b:stä a:han muuntumisnopeuksista ja sintratun materiaalin N-dopingista.

Puhtaan SiC:n Seebeck-kerroin on välillä -70 - -200 uV K-1, kun taas kaupallinen SiC-lähtöjauhe sisältää ilmasta peräisin olevia N-epäpuhtauksia, jotka saavat sen johtamaan n-tyypin johtimena. Sen johtavuus voidaan kuitenkin muuttaa p-tyyppiseksi lisäämällä 3-5% C -lisäainetta.

Lämpötila

Lämpötilalla on keskeinen merkitys piikarbidin sähkönjohtavuuteen. Matalammissa lämpötiloissa piikarbidi käyttäytyy pikemminkin eristeen tavoin vastustaen sähkön kulkua; korkeammissa lämpötiloissa sen kiderakenne kuitenkin sallii fononien liikkua vapaammin, jolloin sähkö pääsee kulkemaan helpommin.

Piikarbidi voidaan muuttaa puolijohdeominaisuuksiksi lisäämällä siihen huolellisesti epäpuhtauksia tai seostusaineita, kuten alumiinia, booria tai galliumia seostusaineina; typen tai fosforin lisääminen tuottaa N-tyypin puolijohteen.

Piikarbidin ominaisuudet tekevät siitä korvaamattoman arvokkaan materiaalivalinnan suuritehoisissa laitteissa ja huippuluokan teollisissa sovelluksissa. Lisäksi sen kemiallinen korroosion- ja kulutuskestävyys tekevät siitä monipuolisen materiaalivalinnan, joka soveltuu huippuluokan käyttöön.

Tutkijat, joiden tavoitteena on ymmärtää paremmin, miten lämpötila vaikuttaa piikarbidin johtavuuteen, ovat tutkineet erilaisia komposiitteja ja kuituja saadakseen lisää tietoa. He ovat esimerkiksi verranneet kemiallisella höyryinfiltraatiolla valmistettujen SiC-kuitujen sähkönjohtavuutta polymeerikyllästys-pyrolyysin (PIP) avulla valmistettuihin kuituihin. Heidän tuloksensa osoittivat, että PIP-SiC- ja CVI-SiC-materiaalien lämmönjohtavuudet vaihtelivat merkittävästi 20-1000 celsiusasteen välillä.

Tutkijat analysoivat myös hiilipitoisuuden vaikutusta materiaalin johtavuuteen. He havaitsivat, että näytteiden sintraus Ar:ssa onnistui paremmin vähentämään sähköistä resistiivisyyttä, mikä johtui b:stä a:han faasisiirtymän vähenemisestä ja näytteiden N-dopioinnista kuin tyhjiösintraus.

Lämmönjohtavuus parani myös hiililisäyksen lisääntyessä, mahdollisesti siksi, että ylimääräinen hiili muodostaa SiC-ristikkoon kiinteän liuoksen, joka mahdollistaa vapaamman fononivirran. Lisäksi sintraus voi muuttaa SiC-kiteen hilaparametreja ja olla yksi syy siihen, miksi C-SiC- ja Si-SiC-näytteiden Seebeck-kertoimet olivat korkeammat kuin puhtaiden SiC-näytteiden.

Huokoisuus

Piikarbidi on erittäin kova, kemikaalinkestävä ja lämpöä johtava materiaali, jolla on erinomaiset lämmönjohtavuusominaisuudet ja jota käytetään eri teollisuudenaloilla - niin tribologian, sähkötekniikan, mekaniikan kuin ydinvoiman alalla. Alhaisen kitkan ja kulumisnopeuden ansiosta se mahdollistaa toiminnan pienemmällä teholla (P) mutta suuremmalla nopeudella tai pyörimisnopeudella (V), mikä tekee siitä erityisen hyödyllisen mekaanisissa tiivisteissä, joiden on kestettävä sekä puristuskuormitusta että suuria liukunopeuksia.

n-tyypin heksagonaalisen piikarbidin luontainen johtavuus on kuitenkin alhainen; sen lisäämiseksi ja johtavuuden parantamiseksi edelleen on lisättävä huokoisuutta matalapaineisen nestefaasin (LPP) tekniikoilla, kuten käyttämällä 0,01 baarin painetta LPP:ssä huokosten luomiseksi kiteisiin - paljon halvempaa kuin perinteiset menetelmät, kuten kuuma isostaattinen puristus, ja samalla tuotetaan korkealaatuisempia huokoisia piikarbidituotteita.

Piikarbidin huokoinen rakenne sallii elektronien kulkea vapaasti sen läpi, mikä pienentää sen sähköistä vastusta ja lisää johtavuutta. Tämä vaikutus saavutetaan sen kaistanraon lähellä muodostuvien energiatasojen avulla, joita voidaan muuttaa käyttämällä erilaisia lisäaineita, kuten C- ja N2-akseptoreita, jotka vähentävät sähköistä vastusta, kun taas B- ja V-donorit lisäävät sitä.

Halutun huokoisuuden saavuttamiseksi on tärkeää, että sintrausparametreja hallitaan huolellisesti. Lisäksi prosessin olisi tapahduttava olosuhteissa, joissa mikrorakenteen eheys säilyy - esimerkiksi lisäämällä polymeerihajotteita raakapanokseen. Näin voidaan hallita huokosten kokoa, muotoa, määrää ja huokoisuutta sintrauksen aikana; tästä johtuu termi controlled porosity silicon carbide tai PCSSC.

Yksi huokoisen SiC:n ensisijaisista käyttökohteista on mekaaniset tiivisteosat, joiden on kestettävä sekä suurta PV- että liukunopeutta ja samalla myös lämpötilanvaihteluita. Tällaiset ominaisuudet tekevät huokoisesta SiC:stä korvaamattoman arvokkaan komponentin paitsi mekaanisissa tiivisteissä myös monissa muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan alhaisia kitka- ja kulumisnopeuksia, joita kaupallisesti saatavilla olevat materiaalit eivät ole vielä viime aikoina helposti täyttäneet. Uuden teknologian ansiosta on kuitenkin nyt saatavilla PCSSC-sukupolvi, joka soveltuu monenlaisiin teollisiin sovelluksiin.

Doping

Piikarbidia voidaan muuttaa eri sähköisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi seostamalla sitä. Doping tarkoittaa, että kiderakenteeseen lisätään epäpuhtauksia, jotka luovat enemmän vapaita varauksenkuljettajia (elektroneja tai reikiä). Dopingilla voidaan lisätä tai vähentää piikarbidin sähkönjohtavuutta; dopingia käytetään laajalti puolijohdeteollisuudessa tehokkaana keinona säädellä materiaalin ominaisuuksia.

Piikarbidin seostaminen edellyttää, että sen kiderakenteeseen tuodaan epäpuhtauksia, joilla on alhaisempi valenssielektronien määrä kuin SiC-atomeilla, jolloin sen kaistanraossa syntyy tyhjä elektronitila, joka voidaan sitten täyttää lämpöherätetyillä valenssikaistan elektroneilla; tämä prosessi tuottaa niin sanotun N-tyypin puolijohteen; tämän ominaisuuden muuttamiseksi edelleen p-tyypin puolijohde voidaan muodostaa korvaamalla joitakin SiC-atomeja sellaisilla, joilla on enemmän valenssi- ja valenssi-elektroneita, kuten Al-, Be-, Boro- tai Gallium-atomeilla, jotka voivat tuottaa samankaltaisen vaikutuksen, mikä puolestaan luo N-tyypin puolijohteen, joka voi johtaa myös seostettuun puolijohteeseen.

Useimmissa puolijohdelaitteissa yhdistetään N- ja p-tyypin puolijohteet PN-liitoksessa ja käytetään sitä eteenpäin suuntautuvalla etusijauksella sähkönjohtavuuden lisäämiseksi indusoimalla elektronien virtaus yhdestä puolijohteesta toiseen p-tyypin puolijohteen positiivisen sisäänrakennetun potentiaalin aiheuttaman etusuuntaisen etusijauksen avulla, jotta elektronit virtaisivat vapaammin N-tyypin puolijohteeseen, mikä lisää sähkönjohtavuutta.

Ohminen johtuminen tapahtuu, kun elektronien energia haihtuu puolijohdemateriaalin sisällä ja tuottaa lämpöä, mikä lisää sen sähkönjohtavuutta ja siten laitteen lämpötilaa voidaan muuttaa muuttamalla jännitettä.

Huokoisen piikarbidin sähkönjohtavuus riippuu useista muuttujista, kuten seostuspitoisuudesta, lämpötilasta ja sähkökentästä. Kahdenlaista huokoista piikarbidia koskeva tutkimus osoitti, että 4H-SiC:n sähkönjohtavuus oli suurempi kuin 6H-SiC:n; lisäksi dopingaineet ja huokoisuus vaikuttavat merkittävästi sen sähkönjohtavuuteen.

Huokoista piikarbidia käytetään useimmiten komposiiteissa ja kuiduissa, ja sen suosituimpia sovelluksia ovat komposiitit, jotka on valmistettu piidioksidia ja metallia sisältävistä matriiseista, sekä hiilirikkaat kuidut, jotka on luotu kemiallisella höyryinfiltraatiolla tai polymeerikyllästys-pyrolyysiprosesseilla. Eri yritykset myyvät erityyppistä piikarbidia sovelluksen ja haluttujen ominaisuuksien mukaan - esimerkiksi Matmatchilla on laaja valikoima eri piikarbidivalmistajien tuotteita.