Mi a szilícium-karbid?

A szilíciumkarbid, közismertebb nevén karborundum, egy rendkívül kemény kémiai vegyület, amely különböző hőmérsékleteken egyszerre rendelkezik fém és szigetelő tulajdonságokkal. Hosszú élettartamot igénylő ipari alkalmazásokban használják.

A zöld SiC egy rendkívül kemény és korrózióálló kerámiaanyag, amelyet először Edward Acheson szintetizált 1891-ben szilícium-dioxid-homok és petróleumkoksz kombinált hevítésével egy speciális kemencében. Kiemelkedő tulajdonságokkal büszkélkedhet, beleértve a jó korrózióállóságot, a nagy mechanikai szilárdságot, az alacsony hőtágulást és a figyelemre méltó hőállóságot.

Saját vezetőképesség

A szilíciumkarbid (SiC) egy kiváló anyag, amelyet kiváló szilárdság és keménység, kémiai inertitás, termikus sokkállóság és széles sávszélesség jellemez, ami alkalmassá teszi számos igényes ipari alkalmazáshoz, például csúszócsapágyakhoz, kopó alkatrészekhez, tégelyekhez, szinterelési segédanyagokhoz, félvezető alkatrészekhez, valamint égőfúvókákhoz.

A SiC szigetelőként viselkedik, ha tisztán állítják elő, de szennyeződések vagy adalékanyagok szabályozott hozzáadásával félvezető tulajdonságokat mutathat. Az alumínium, bór vagy gallium adalékanyagok P-típusú félvezetőket eredményeznek; foszfor vagy nitrogén adalékanyagok hozzáadásával N-típusú félvezetők jönnek létre. Az elektron- és lyukkoncentráció - a vezetési és a valenciasávban lévő számuk közötti különbség - megváltoztatásának képessége közvetlenül korrelál a vezetőképességgel.

Egy félvezető belső vezetőképességét több tényező határozza meg, többek között a Fermi-energia, a valencia- és vezetési sávok magassága, az elektronok mozgékonysága a vezetési sávban és az egy elektronra jutó töltés. Ha a valenciasávban több atom kötődik a szülő atompályájához, akkor alacsonyabb Fermi-energiával rendelkeznek, ami miatt kevésbé valószínű, hogy a SiC rács termikus rezgésein keresztül vezetésbe jutnak (fononemisszió). Szobahőmérsékleten a belső töltéshordozók egyenletesen oszlanak el mindkét sávban, sávonként azonos számú elektronnal és lyukkal - így összességében jobb vezetővé válik.

Magas hőmérsékletre hevítve azonban a valenciasávja részben üressé válik, mivel a szilíciumatomok már nem tapasztalnak elegendő termikus rezgést ahhoz, hogy rezgési módusaikat kellőképpen gerjeszthessék. Ez azt eredményezi, hogy a valenciaelektronok egy része átmegy a vezetési sávba, és jelentősen megnöveli a vezetőképességet.

A hőmérséklet további emelkedésével az elektronok és a lyukak addig rekombinálódnak, amíg a félvezető jellegzetes hőmérsékleténél el nem érik az egyensúlyi pontot. A vezetőképesség tovább növelhető elektromos árammal vagy elektromágneses sugárzással az elektron-lyuk párok keletkezésének és rekombinációjának serkentésére, ami lehetővé teszi, hogy az elektronikus eszközök, például diódák és tranzisztorok magasabb feszültségen és frekvencián működjenek a megbízhatóság veszélyeztetése nélkül.

Vezetőképesség a szemcsehatárokon

A szilíciumkarbid bonyolult kristályszerkezetű, számos polytípussal rendelkezik. Egy adott polytípust a szénatomok száma és elhelyezkedése alapján lehet azonosítani a rétegekben; minden egyes rétegsorozat egyedi orientációs kombinációkat hoz létre energetikai megfontolások miatt (oldalirányú elfordulás és elforgatás egyaránt lehetséges), ami rétegenként több száz lehetséges konfigurációt eredményez egy kísérleti SiC-mintában.

A SiC vezetőképességének jobb megértéséhez a töltésszállítás minden lehetséges irányát figyelembe kell venni. Ennek érdekében komplex impedanciaméréseket végeztünk olyan mintákon, amelyek szemcsehatárait (GB) EBSD-elemzéssel azonosítottuk, és egy olyan modellbe illesztettük, amely mind az ömlesztett, mind a GB vezetőképességet figyelembe vette; az eredmények azt mutatják, hogy a gB vezetőképesség a domináns erő, amely az általános elektromos transzporttulajdonságokat magas hőmérsékleten meghatározza.

A gB vezetőképessége nagymértékben függ a hőmérséklettől és a szemcsemérettől, a hűtési eljárás és a szemcsehatáron jelen lévő szennyeződések szintén hatással vannak rá. Az 5a. ábra szemlélteti ezt az összefüggést az e munka során kapott szemcsés ionos vezetőképesség és az olvasztva öntött kerámiákra vonatkozó irodalmi értékek összehasonlításával; látható, hogy az olvasztva öntött kerámiákra vonatkozó irodalmi értékekhez való illeszkedés nagyon közel van; a bejelentett eltérések valószínűleg a méréshez használt pelletminta-előkészítési módszer eltéréseiből, pontatlan impedanciaillesztésből vagy az egyenértékű áramkörök helytelen számításaiból erednek.

Jellemzően a gB vezetőképesség csökken a hőmérséklet és a szennyezőanyag-tartalom növekedésével; ez a hatás a jelentős mennyiségű második fázist tartalmazó tiszta anyagok esetében sokkal kevésbé kifejezett, mint a jelentős mennyiséget tartalmazó anyagok esetében. A hőmérséklet emelkedésével az elektronok mozgékonysága csökken; nagyobb valószínűséggel esnek csapdába a szerkezeti hibák által akadályozott gB struktúrákban - ez magyarázza, hogy a nagy tisztaságú SiC vezetőképessége miért alacsonyabb a kereskedelmi forgalomban kapható formáknál; ennek ellensúlyozására alacsony hőmérsékleten elektromosan vezető második fázisú részecskéket lehet hozzáadni, amelyek végül a gB vezetőképességét a gyakorlati alkalmazási igényeknek megfelelő szintre csökkentik.

Vezetőképesség a szemcsék felületén

A szilíciumkarbid, közismert nevén SiC, az anyagok rendkívül változatos csoportjára utal, a magas hőmérsékleten és nyomáson, különböző binerekkel összekötött, tisztátalan SiC-kristályokból előállított kerámiáktól kezdve a SiC-kristályok kémiai gőzfázisú leválasztásával vagy vákuumban történő növesztésével előállított ipari ostyákig. A szilíciumkarbid minden egyes típusa eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint például az elektromos vezetőképesség, ami megnehezíti a konkrét alkalmazásokhoz szükséges teljesítmény előrejelzését.

A vezetőképesség az atomszerkezet tulajdonsága, amelyet az anyag összetétele és szemcsemérete határoz meg. Egy szilícium-karbid kétkristály vezetőképességét befolyásolhatja a szemcsehatárok összetétele és szerkezete, valamint a kialakítás módja; például az n-típusú vezetőképesség függhet a natív oxiddal való határfelületen lévő oxigén szennyeződésektől - ezt pásztázó elektronmikroszkópiával és pásztázó nemlineáris dielektromos mikroszkópiával (SNDM) lehet megfigyelni.

A SiC-hez hasonlóan a félvezető SiC is p-típusúvá tehető alumínium, bór, gallium vagy nitrogén adalékolásával - míg a nitrogénnel vagy foszforral történő adalékolás n-típusú tulajdonságokat eredményez. A fokozott adalékolás növeli az elektromos vezetőképességet, de az anyagok általános vezetőképességére vonatkozó előrejelzések készítésekor figyelembe kell venni a növekvő felületet.

A szemcsehatár ellenállását az atomi szerkezet határozza meg, mivel a szomszédos kristályokból származó periodikus atompotenciál ingadozásai miatt az elektronok a határ mentén szóródnak, és csökkentik az ellenállást. Mivel az atomok hajlamosak sűrűbben csoportosulni a szemcsehatárokon a határfelületek szorosabb távolsága miatt, ellenállása általában nagyobb, mint a belső ellenállásoké; ez a közelség hozzájárul az oxidmolekulák kialakulásához, amelyek tovább csökkentik a vezetőképességet; ez a hatás azonban minimalizálható, ha úgy alakítjuk ki őket, hogy a lehető legsimábbak és legsűrűbbek legyenek.

Vezetőképesség a szemcseintervallumokban

A szilícium-karbidot (SiC) széles körben használják az elektronikus eszközökben, mivel nagyobb a vezetőképessége, az elektronok mozgékonysága és a magas hőmérsékleten csökkentett energiaveszteség. E tulajdonságának köszönhetően más anyagokhoz képest egyszerűbben építhetők meg az olyan eszközök, mint a Schottky-diódák és tranzisztorok, amelyek az elektronikus áramkörökben az elektromos jeleket erősítik, kapcsolják vagy átalakítják.

A SiC vezetőképessége jelentősen romolhat a szemcsehatár-ellenállás miatt, amelyet a periodikus atompotenciál változásai okoznak az ömlesztett SiC rácshoz képest. Mivel az elektronok több határfelületen is áthaladnak ezen a területen, a potenciál változásai olyan elektronszóródást idézhetnek elő, amely jelentősen növeli az ellenállást az ömlesztett anyagban tapasztalt ellenálláshoz képest.

A kutatók a szén hatását vizsgálták a SiC polikristályok és bikristályok vezetőképességére, hogy megértsék ezt a jelenséget. Kísérletük részeként egy csiszolt bikristályt vizsgáltak, amely 5 tömegszázalék szénadalékot tartalmazott, és pásztázó szondás mikroszkópos-nanoindentációs-diffrakciós méréssel elemezték mind e minta, mind egy SiC-ből készült p-típusú egykristály felületenergiaméréseit. Mindkettőn EBSD-felbontású szemcsetérképezést, topográfiai hordozótípus-felvételeket, valamint topográfiai hordozótípus/koncentráció-felvételeket is végeztek a további tisztánlátás érdekében.

Topográfiailag a kétkristály felülete síknak tűnt; a hordozótípus- és koncentrációképek azonban egy sötét területet mutattak ki a szemcsehatár közelében, amelyet a SiC adalékanyag-összetételű rács Si-helyeinek Sc helyettesítéséből származó hordozóhiányos rétegek okoztak a szinterezés során.

Az EBSD-elemzés megerősítette a kimerülő réteg létezését, és kimutatta, hogy összetételében SiAlON és b-Si3N4 részecskék találhatók a szemcsehatárokban (GB). Továbbá, az s-értékek tükrözik az ömlesztett SiC-re talált értékeket. Az alacsony s értékek továbbá azt jelzik, hogy a vezetőképesség nagy része inkább fononszórásból, mint szabad elektronokból származik; ami jól illeszkedik a hővezető képesség hőmérsékletfüggéséhez mind a testek érintetlen, mind a C-SiC testek esetében.