Apa Itu Konduktivitas Listrik Silikon Karbida?

Silikon karbida (SiC) adalah padatan intermetalik yang berada di antara logam (yang menghantarkan listrik) dan isolator, dengan celah pita yang lebar dan mobilitas elektron yang tinggi, sehingga menjadikannya pilihan material yang menarik untuk aplikasi elektronika daya.

Kemampuan silikon untuk menahan serangan kimia pada suhu tinggi dan kekuatannya pada rentang suhu yang luas membuatnya ideal untuk elemen pemanas resistansi pada tungku semikonduktor dan termistor; namun, tidak seperti logam, silikon tidak menghantarkan listrik secara efisien.

Konduktivitas

Silikon karbida (SiC) adalah bahan yang sangat keras dan tangguh dengan banyak sifat unik yang dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi. Sebagai isolator pada suhu yang lebih rendah dan konduktor pada suhu yang lebih tinggi, hal ini membuat SiC menjadi pilihan material yang sangat baik untuk digunakan dalam aplikasi suhu tinggi seperti refraktori dan alat pemotong serta manufaktur semikonduktor, manufaktur komponen ruang angkasa, dan sistem manajemen termal.

Struktur kristal silikon karbida yang kuat dan tidak mudah larut membuatnya sangat tahan terhadap korosi dan keausan. Dengan kekerasan skala Mohs 9, peringkatnya hanya satu langkah di bawah berlian dalam hal kekerasan. Silikon karbida banyak digunakan sebagai bahan abrasif serta menjadi salah satu bahan sintetis yang paling keras; tahan benturan dan panas membuatnya menjadi bahan baku penting dalam memproduksi baja, keramik tahan api, dan bahan kimia anorganik.

SiC adalah zat tak larut berwarna abu-abu hingga coklat yang terdiri dari empat silikon dan karbon tetrahedra yang diikat bersama melalui ikatan kovalen, menjadikannya bahan anorganik dengan daya tahan yang tinggi, tahan terhadap serangan asam dan basa serta suhu hingga 1600 derajat Celcius. SiC menjadi bahan yang sangat baik ketika menggiling karbida, keramik, atau logam nonferrous lainnya yang mungkin lebih rapuh atau lunak daripada bahan permukaannya yang keras.

SiC berpori sangat bergantung pada komposisi kimia, kondisi pemrosesan, dan struktur mikro; khususnya polytype, tingkat doping, porositas, dan komposisi aditif (nitrida dan karbida logam). Selain itu, atmosfer sintering memiliki dampak besar pada konduktivitas listriknya dengan mengubah struktur fase kristal serta mengubah transisi b-ke-a.

Baru-baru ini, sebuah tim peneliti menyelidiki pengaruh atmosfer sintering terhadap konduktivitas listrik SiC berpori dengan komposisi Y2O3 + AlN. Investigasi mereka menentukan bahwa sintering Ar terbukti lebih unggul dalam menurunkan konduktivitasnya jika dibandingkan dengan sintering vakum karena berkurangnya laju transformasi b-ke-a dan doping N pada material yang disinter.

Koefisien Seebeck SiC murni adalah antara -70 hingga -200 uV K-1, sedangkan bubuk sumber SiC komersial mengandung pengotor N dari udara yang menyebabkannya melakukan konduksi sebagai konduktor tipe-n. Namun, konduktivitasnya dapat diubah menjadi tipe-p dengan menambahkan aditif 3-5% C.

Suhu

Suhu memainkan peran penting dalam konduktivitas listrik silikon karbida. Pada suhu yang lebih rendah, silikon karbida berperilaku lebih seperti isolator dengan menahan aliran listrik; namun pada suhu yang lebih tinggi, struktur kristalnya memungkinkan fonon bergerak lebih bebas sehingga memungkinkan listrik melewatinya dengan lebih mudah.

Silikon karbida dapat dimodifikasi untuk menunjukkan sifat semikonduktor melalui penambahan pengotor atau dopan secara hati-hati, termasuk aluminium, boron, atau galium sebagai dopan; doping dengan nitrogen atau fosfor akan menghasilkan semikonduktor tipe-N.

Sifat silikon karbida membuatnya menjadi pilihan bahan yang sangat berharga untuk perangkat bertenaga tinggi dan aplikasi industri mutakhir. Selain itu, ketahanannya terhadap korosi dan keausan kimiawi menjadikannya pilihan bahan serbaguna yang cocok untuk penggunaan yang canggih.

Para peneliti yang bertujuan untuk lebih memahami bagaimana suhu memengaruhi konduktivitas silikon karbida telah mempelajari berbagai komposit dan serat untuk mendapatkan lebih banyak wawasan. Sebagai contoh, mereka telah membandingkan konduktivitas listrik serat SiC yang dihasilkan melalui infiltrasi uap kimia dengan yang dibuat melalui polimer-impregnasi-pirolisis (PIP). Hasil penelitian mereka menunjukkan variasi yang signifikan antara konduktivitas termal antara bahan PIP-SiC dan CVI-SiC mulai dari 20 hingga 1000 derajat Celcius.

Para peneliti juga menganalisis pengaruh kandungan karbon pada konduktivitas material. Mereka mengamati bahwa sampel sintering dalam Ar lebih berhasil dalam mengurangi resistivitas listrik karena berkurangnya transisi fase b-ke-a dan doping N pada sampel daripada sintering vakum.

Konduktivitas termal juga meningkat dengan meningkatnya jumlah penambahan karbon, mungkin karena kelebihan karbon membentuk larutan padat dalam kisi SiC yang memungkinkan lebih banyak aliran fonon bebas. Selain itu, sintering dapat mengubah parameter kisi kristal SiC dan menjadi salah satu faktor mengapa sampel C-SiC dan Si-SiC memiliki koefisien Seebeck yang lebih tinggi dibandingkan sampel SiC murni.

Porositas

Silikon karbida adalah bahan yang sangat keras, tahan bahan kimia, dan konduktif termal dengan sifat konduktivitas termal yang sangat baik yang digunakan di seluruh industri - baik tribologi, listrik, mekanik, maupun nuklir. Karena tingkat gesekan dan tingkat keausannya yang rendah, bahan ini memungkinkan pengoperasian dengan daya yang lebih rendah (P) tetapi kecepatan atau kecepatan putar (V) yang lebih tinggi, yang membuatnya sangat berguna pada anggota segel mekanis yang harus menahan beban tekan serta kecepatan geser yang tinggi.

Namun, konduktivitas intrinsik silikon karbida heksagonal tipe-n rendah; untuk meningkatkannya lebih lanjut dan meningkatkan konduktivitas lebih lanjut, harus meningkatkan porositas melalui teknik fase cair bertekanan rendah (LPP) seperti menggunakan tekanan 0,01 bar pada LPP untuk membuat pori-pori dalam kristal - jauh lebih murah daripada metode tradisional seperti pengepresan isostatik panas sambil menghasilkan produk silikon karbida berpori berkualitas lebih tinggi.

Struktur berpori silikon karbida memungkinkan elektron melewatinya dengan bebas, sehingga mengurangi hambatan listrik dan meningkatkan konduktivitas. Efek ini dicapai melalui tingkat energi yang terbentuk di dekat celah pita yang dapat diubah dengan menggunakan berbagai aditif seperti akseptor C dan N2 untuk mengurangi resistivitas listrik, sementara donor B dan V meningkatkannya.

Untuk mencapai porositas yang diinginkan, parameter sintering harus dikelola dengan hati-hati. Selain itu, prosesnya harus dilakukan dalam kondisi yang menjaga integritas struktur mikro - misalnya dengan menambahkan fugitive polimer ke dalam batch mentah. Hal ini memungkinkan kita untuk mengontrol ukuran pori, bentuk, jumlah, dan mengontrol porositas selama sintering; oleh karena itu istilah Porositas Silikon Karbida terkontrol atau PCSSC.

Salah satu aplikasi utama untuk SiC berpori adalah anggota segel mekanis, yang harus tahan terhadap kondisi PV dan kecepatan geser yang tinggi sekaligus mengakomodasi fluktuasi suhu. Sifat-sifat seperti itu membuat SiC berpori menjadi komponen yang sangat berharga tidak hanya pada segel mekanis, tetapi dalam banyak aplikasi lain yang menuntut tingkat gesekan / keausan yang rendah - sesuatu yang tidak mudah dipenuhi hingga saat ini oleh bahan yang tersedia secara komersial; Namun, berkat teknologi baru, generasi PCSSC sekarang tersedia yang cocok untuk berbagai macam aplikasi industri.

Doping

Silikon karbida dapat diubah untuk menghasilkan sifat listrik yang berbeda dengan cara doping. Doping melibatkan penambahan pengotor ke dalam struktur kristalnya yang menciptakan lebih banyak pembawa muatan bebas (elektron atau lubang). Doping dapat meningkatkan atau menurunkan konduktivitas listrik silikon karbida; doping dipraktikkan secara luas dalam industri semikonduktor sebagai cara yang efisien untuk mengatur karakteristik material.

Doping silikon karbida melibatkan memasukkan pengotor dengan jumlah elektron valensi yang lebih rendah daripada atom SiC ke dalam struktur kristalnya, menciptakan keadaan elektron kosong dalam celah pita yang kemudian dapat diisi oleh elektron yang tereksitasi secara termal dari pita valensinya; proses ini menghasilkan apa yang dikenal sebagai semikonduktor tipe-N; untuk mengubah sifat ini lebih lanjut, semikonduktor tipe-p dapat dibentuk dengan mengganti beberapa atom SiC dengan atom yang memiliki lebih banyak elektron valensi elektron seperti atom Al, Be, Boro, atau Galium dapat menghasilkan efek yang sama; pada gilirannya ini menciptakan semikonduktor tipe-N yang juga dapat menghasilkan semikonduktor yang di-doping.

Sebagian besar perangkat semikonduktor menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-p dalam sambungan PN dan mengoperasikannya di bawah bias maju untuk meningkatkan konduktivitas listrik dengan menginduksi aliran elektron dari satu semikonduktor ke semikonduktor lainnya melalui bias maju yang diinduksi potensi bawaan positif dari semikonduktor tipe-p untuk mengalir lebih bebas ke semikonduktor tipe-N, sehingga meningkatkan konduktivitas listrik.

Konduksi ohmik terjadi ketika energi elektron dihamburkan di dalam bahan semikonduktor untuk menghasilkan panas, meningkatkan konduktivitas listrik dari konduktivitas listriknya dan dengan demikian suhu perangkat dapat diubah dengan mengubah voltase yang diterapkan.

Konduktivitas listrik silikon karbida berpori bergantung pada beberapa variabel seperti konsentrasi doping, suhu, dan medan listrik. Sebuah studi tentang dua jenis silikon karbida berpori menunjukkan bahwa 4H-SiC memiliki konduktivitas yang lebih tinggi daripada 6H-SiC; selain itu, dopan dan porositas mempengaruhi konduktivitasnya secara signifikan.

Silikon karbida berpori paling sering digunakan dalam komposit dan serat, sementara aplikasi yang paling populer melibatkan komposit yang dibuat dengan matriks yang mengandung silika dan logam serta serat kaya karbon yang dibuat melalui infiltrasi uap kimia atau proses polimer-impregnasi-pirolisis. Perusahaan yang berbeda menjual berbagai jenis silikon karbida sesuai dengan aplikasi dan sifat yang diinginkan - misalnya Matmatch memiliki berbagai macam produk dari berbagai produsen silikon karbida.