Propriétés électriques du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau extrêmement résistant, capable de supporter des températures élevées et des contraintes électriques, tout en présentant des qualités anti-abrasion supérieures.

Le SiC pur est un isolant électrique ; cependant, avec des impuretés soigneusement appliquées, il peut se transformer en matériau semi-conducteur. Le dopage à l'aluminium et au bore produit des semi-conducteurs de type p, tandis que le dopage à l'azote et au phosphore produit des semi-conducteurs de type n.

Bande interdite

La large bande interdite du carbure de silicium lui permet de supporter des températures et des tensions plus élevées que les autres semi-conducteurs, ce qui le rend adapté aux applications d'électronique de puissance à haute performance telles que les diodes, les transistors et les thyristors.

La valeur de la bande interdite est l'écart énergétique entre les bandes de conduction et de valence d'un matériau, qui détermine si les électrons peuvent le traverser. Elle est déterminée par la taille des atomes et leur emplacement dans le matériau - les atomes plus petits ont des valeurs de bande interdite plus élevées. L'alliage peut la modifier davantage ; les nitrures III-V présentent des valeurs particulièrement élevées.

Les bandes interdites larges permettent aux électrons de passer plus facilement à travers les matériaux, transportant avec eux de plus grandes quantités d'énergie, ce qui se traduit par un courant électrique plus important et une meilleure absorption de la lumière. En outre, les bandes interdites plus larges absorbent plus efficacement la lumière.

Les niveaux d'énergie d'un matériau déterminent s'il agit comme un conducteur, un isolant ou un semi-conducteur. L'énergie de Fermi, le niveau le plus élevé occupé par les solides à basse température, détermine où se situent les bandes de valence et de conduction ; lorsqu'ils se trouvent dans l'une ou l'autre de ces bandes, tous les électrons disponibles pour la liaison y participent ; dans le cas contraire, les isolants ne peuvent pas conduire aussi librement, car il n'y a pas d'électrons présents pour conduire les voies de conduction.

L'énergie de Fermi se situe dans la bande de conduction, lorsqu'il y a des électrons présents pour participer à la conduction. C'est ce que l'on observe généralement dans les semi-conducteurs.

Le dopage permet de manipuler la conductivité électrique du SiC poreux fritté en ajoutant des impuretés dans sa structure cristalline pour produire davantage d'électrons ou de trous libres, ce qui modifie effectivement sa conductivité électrique. Ce processus est couramment utilisé dans la fabrication de dispositifs électroniques tels que les diodes, les transistors, les thyristors et les cellules photovoltaïques. En remplissant les niveaux d'énergie inférieurs avec des atomes de bore, l'ajout de bore peut augmenter la conductivité électrique de la céramique SiC poreuse frittée. Par conséquent, cette technologie réduit la résistance tout en rétrécissant les régions d'appauvrissement dans les réseaux cristallins, réduisant ainsi les zones de résistance et les régions d'appauvrissement pour une plus grande efficacité dans les dispositifs fonctionnant à des températures et des tensions plus élevées que leurs homologues à base de silicium.

Conductivité thermique

Le carbure de silicium présente une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les applications nécessitant une gestion de la chaleur. En outre, sa capacité thermique spécifique - la quantité d'énergie par unité de masse qu'il peut absorber - rend ce matériau très utile. En outre, ses propriétés de transfert de chaleur efficaces réduisent le risque de contrainte thermique ou de formation de microfissures, tandis que son faible coefficient de dilatation thermique garantit un risque minimal de contrainte ou de formation de microfissures.

La conductivité thermique des matériaux dépend de leur densité d'empilement atomique ou moléculaire. Les métaux voient leur densité d'empilement diminuer à mesure que la température augmente, en raison de l'augmentation des mouvements vibratoires de leurs atomes et molécules, ce qui réduit les trajectoires libres moyennes à travers les réseaux cristallins. Les non-métaux présentent toutefois des relations plus compliquées ; l'augmentation de la densité de tassement peut accroître la conductivité thermique, mais il est important de ne pas négliger d'autres facteurs susceptibles de la modifier, tels que la diffusion des phonons d'électrons.

La composition chimique et les conditions de traitement du carbure de silicium poreux peuvent avoir un impact considérable sur ses propriétés électriques, telles que la conductivité. Pour maintenir l'uniformité et maximiser les effets positifs sur les propriétés électro-thermiques des matériaux en carbure de silicium poreux, les dopants utilisés doivent être répartis uniformément dans chaque lot de matériaux contenant des dopants utilisés à des fins de dopage. Il est également essentiel que leurs niveaux de concentration soient corrects ; des méthodes analytiques en vrac et résolues dans l'espace peuvent aider à atteindre cet objectif.

La large bande interdite et l'excellente conductivité thermique du carbure de silicium en font un matériau semi-conducteur idéal pour de nombreuses applications. Il est souvent utilisé dans les dispositifs électroniques de puissance, notamment les diodes, les transistors et les thyristors, où sa résistance supérieure aux tensions et températures élevées en fait le matériau de prédilection. En outre, sa capacité thermique spécifique élevée lui permet d'absorber et de dissiper rapidement et efficacement de grandes quantités d'énergie.

EAG Laboratories possède une vaste expérience en matière de test et d'analyse des propriétés électroniques du carbure de silicium. Nos techniques analytiques avancées peuvent aider à comprendre comment les différents dopants affectent les propriétés électroniques et thermiques du carbure de silicium. En outre, nous pouvons nous assurer que votre carbure de silicium contient des niveaux adéquats de dopants de type n, tels que l'azote et le phosphore, ou de dopants de type p, tels que le béryllium, le bore ou l'aluminium, et que des contaminants indésirables n'existent pas dans sa composition.

Résistivité

La résistivité mesure le degré auquel les matériaux conducteurs bloquent le courant électrique. Elle mesure la force avec laquelle ils s'opposent au mouvement des électrons et est exprimée en ohms (). La résistivité des métaux est comprise entre 0 et 100 ohms ; les valeurs les plus élevées indiquent une plus grande résistance au flux d'électrons ; les longueurs les plus grandes ont tendance à avoir des valeurs de résistance plus faibles que les plus courtes.

La résistivité électrique du carbure de silicium se situe entre l'or et le verre. Bien qu'à l'état pur, le carbure de silicium agisse comme un isolant, il peut être rendu semi-conducteur en le dopant avec des impuretés d'aluminium, de bore, de gallium et d'azote ; l'ajout de ces impuretés permet la formation de semi-conducteurs de type P et de type N dont les propriétés de semi-conductivité et de commutation dépendent de la température ou de la tension.

La faible résistivité du carbure de silicium en fait un matériau idéal pour les applications d'électronique de puissance qui requièrent une large gamme de températures. En outre, la tolérance aux contraintes mécaniques du carbure de silicium lui permet de prospérer même dans des environnements difficiles où des matériaux plus traditionnels seraient défaillants.

La large gamme de températures du carbure de silicium le rend approprié pour les dispositifs de conversion d'énergie tels que les convertisseurs, les redresseurs et les contrôleurs DC/DC. En outre, sa large bande interdite lui permet de transférer l'énergie électrique plus efficacement que les semi-conducteurs dont la bande interdite est plus petite.

La porosité du carbure de silicium poreux augmente sa résistivité électrique. Cette tendance s'explique par une réduction de la conduction des électrons à travers les pores. La composition chimique et les conditions de traitement jouent un rôle à cet égard.

La résistance des matériaux peut être calculée en divisant le courant électrique qui les traverse par la tension appliquée, le résultat étant exprimé en Ohms par mètre (OHMS/m). Cette unité permet de comparer la résistance de différents conducteurs : le cuivre est considéré comme un excellent conducteur, tandis que le fer présente des niveaux de résistivité plus élevés.

Rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique mesure le courant électrique maximal qu'un matériau peut tolérer avant de subir une rupture diélectrique, un critère important pour évaluer la qualité de l'isolation lorsqu'elle est utilisée pour des applications à haute tension telles que l'électronique de puissance. Les essais consistent généralement à appliquer une tension jusqu'à ce que la rupture diélectrique se produise et à enregistrer les résultats sous forme de volts par millimètre (V/m, MV/m ou Volts par centimètre).

Le carbure de silicium (SiC) est un composé chimique inorganique composé de silicium et de carbone. En tant que matériau semi-conducteur doté de caractéristiques énergétiques à large bande interdite, le carbure de silicium est idéal pour les applications de commutation telles que les onduleurs de traction des véhicules électriques ou les convertisseurs DC/DC des climatiseurs. En raison de sa résistance aux températures élevées, à l'oxydation, aux chocs, à la corrosion et à l'usure, il constitue un excellent choix pour les freins et les embrayages des voitures ou les plaques en céramique des gilets pare-balles - sans oublier qu'il s'agit d'un matériau abrasif efficace dont la dureté est de 9 sur l'échelle de Mohs, alors que celle du diamant est de 10. En outre, il fait du SiC un matériau abrasif populaire dont la dureté est de 9 sur l'échelle de Mohs, contre 10 pour le diamant.

Les propriétés isolantes du SiC proviennent de sa combinaison unique de silicium et de carbone maintenus ensemble par de fortes liaisons covalentes dans son réseau cristallin. Le SiC est dur, cassant et difficile à briser malgré un point de fusion supérieur à 2 000 degrés Celsius et un faible coefficient de dilatation thermique ; en outre, sa résistance à l'oxydation lui permet d'être utilisé efficacement même dans des environnements difficiles où d'autres matériaux se dégraderaient rapidement au fil du temps.

Le SiC est un excellent isolant électrique à l'état pur, mais le dopage avec des impuretés pour produire des effets semblables à ceux des semi-conducteurs peut transformer ses propriétés. Le dopage à l'aluminium ou au bore entraîne un comportement semi-conducteur de type P, tandis que les impuretés d'azote et de phosphore produisent un comportement de type N. Cela permet au SiC d'être utilisé dans de nombreuses applications grâce à sa capacité à contrôler efficacement les niveaux d'impuretés.

Les propriétés isolantes du SiC sont mesurées à l'aide de l'essai de rigidité diélectrique spécifié dans la norme IEC 61010-1. Cette mesure permet d'évaluer la tension qu'un échantillon peut supporter avant de subir une rupture diélectrique - généralement par décharge électrique. Les essais de rigidité diélectrique se déroulent généralement dans des environnements de laboratoire contrôlés, mais ils peuvent également être réalisés sur site pour évaluer les performances d'un équipement électrique sur le terrain.