Il carburo di silicio e la sua conducibilità elettrica

Il carburo di silicio è un materiale sintetico estremamente duro, con una durezza su scala Mohs pari a 9, che lo rende il nono materiale più duro su un continuum di durezza. Inoltre, il carburo di silicio presenta eccellenti proprietà di conduzione elettrica e resiste alle alte temperature.

I componenti elettronici realizzati con materiali ceramici possono essere assemblati per formare dispositivi che amplificano, commutano e convertono i segnali in un circuito elettrico. Tali dispositivi sono utilizzati in numerose applicazioni per veicoli elettrici, tra cui alimentatori e inverter per il controllo della trazione.

È un semiconduttore

Il carburo di silicio è un semiconduttore con un ampio bandgap che gli consente di resistere ad alte tensioni. Vanta una resistenza alla tensione dieci volte superiore a quella del silicio ordinario e supera persino il nitruro di gallio in sistemi che superano i 1000V, rendendolo adatto a dispositivi elettronici di potenza come diodi e transistor, cuscinetti di pompe, valvole e ugelli abrasivi utilizzati a livello industriale e piastre ceramiche presenti all'interno di giubbotti antiproiettile.

Edward G. Acheson scoprì il carburo di silicio nel 1891, quando riscaldò una miscela di argilla in polvere e carbone in un forno elettrico simile a una lampada ad arco di carbone, producendo cristalli simili ai diamanti in termini di durezza e luminosità. Il nuovo composto fu chiamato carborundum, dal nome del suo minerale naturale, il corindone.

Il carburo di silicio ha un'intricata struttura cristallina composta da strati di atomi di silicio e carbonio legati covalentemente tra loro in forme di coordinazione tetraedrica, creando un semiconduttore che oscilla tra lo stato di conduttore e quello di isolante, il che gli consente di trasferire elettricità senza perdere energia, rendendolo adatto ai veicoli elettrici che necessitano di un'elettronica di potenza in grado di gestire tensioni e correnti elevate.

E' costoso

Il carburo di silicio è un materiale costoso da produrre, i cui costi sono determinati principalmente dalle materie prime e dai processi di produzione. A causa di questi elevati costi di produzione, il carburo di silicio è stato storicamente adatto solo per applicazioni su larga scala; tuttavia, i progressi tecnologici potrebbero espandere ulteriormente il suo mercato nel prossimo futuro.

Il carburo di silicio è utilizzato come materia prima nell'industria dei refrattari per la produzione di refrattari di alta qualità, poiché è altamente resistente alla corrosione e può sopportare temperature estreme. Anche le operazioni di sabbiatura e rettifica lo utilizzano efficacemente, oltre alla produzione di ceramica e di materiali ferrosi.

Il carburo di silicio allo stato puro è un isolante elettrico; tuttavia, se drogato con impurità o altri elementi, può presentare proprietà semiconduttive, rendendolo utile in vari dispositivi elettronici.

L'Asia Pacifica è attualmente in testa al mercato globale del carburo di silicio grazie all'elevata domanda di stazioni base per telefoni cellulari e di componenti a radiofrequenza, e si prevede che rimarrà il principale generatore di entrate nei prossimi anni.

I fattori trainanti del mercato del carburo di silicio includono la crescita della produzione di acciaio e l'adozione a livello mondiale della tecnologia a zero emissioni. I componenti in carburo di silicio utilizzati nei veicoli elettrici probabilmente alimenteranno ulteriormente questo mercato, perché sono più efficienti dal punto di vista energetico e occupano meno spazio degli equivalenti a combustibile.

È difficile da elaborare

Il carburo di silicio ha molte applicazioni in vari settori, ma la sua lavorazione può essere impegnativa. La produzione prevede il riscaldamento della sabbia di silice e del carbonio in forni ad alta temperatura fino all'eliminazione di tutte le impurità dalla miscela (secondo alcune stime, la produzione di materiale di scarto arriva fino a 40%).

Il carburo di silicio nella sua forma pura agisce come un isolante, ma quando viene drogato con azoto o fosforo diventa un semiconduttore e può anche essere ulteriormente drogato con alluminio, boro, gallio o berillio per produrre semiconduttori di tipo n e di tipo p, rendendo il SiC un materiale semiconduttore adatto sia alle alte temperature che ai livelli di potenza.

Il carburo di silicio può essere ancora costoso, ma col tempo diventerà un componente integrale dei dispositivi elettronici. Grazie al suo bandgap energetico molto più elevato rispetto al silicio, il carburo di silicio consente il funzionamento di dispositivi che operano a temperature e tensioni più elevate del normale. Questa caratteristica è particolarmente importante nei veicoli elettrici, dove i consumatori richiedono una maggiore autonomia di guida e tempi di ricarica più rapidi.

Il carburo di silicio deve essere tagliato in wafer prima di essere utilizzato nei dispositivi elettronici, un processo lungo e preciso che richiede attrezzature di alta qualità e conoscenze specialistiche. Uno dei principali ostacoli all'adozione del carburo di silicio è che la sua durezza rende più difficile il taglio, con conseguenti scarti di materiale e una minore resa dei prodotti.

Viene utilizzato nei veicoli elettronici

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore avanzato di terza generazione che ha il potenziale per aumentare significativamente le prestazioni e l'efficienza dei veicoli elettrici. Il SiC possiede proprietà elettriche migliori rispetto al silicio tradizionale, come intervalli di lavoro a temperature più elevate, maggiori temperature di giunzione consentite, maggiore densità di potenza e maggiore resistenza alle radiazioni; inoltre può gestire in modo più efficace tensioni e correnti elevate, riducendo le perdite di potenza e aumentando l'efficienza.

Il carburo di silicio è una ceramica dura e fragile composta da silicio e carbonio che trova numerose applicazioni. Dall'impiego come adesivo negli abrasivi al carborundum e nei giubbotti antiproiettile all'elettronica ad alte prestazioni, come i dispositivi elettronici di potenza e le celle fotovoltaiche che contengono carburo di silicio come ingrediente per ridurre i costi di produzione aumentando la durata di vita e diminuendo il consumo di energia dei componenti, il carburo di silicio può contribuire a risparmiare sui costi di produzione aumentando la durata di vita e diminuendo contemporaneamente il consumo di energia.

United Silicon Carbide ha sviluppato semiconduttori al carburo di silicio che possono aiutare l'industria a trovare il modo di ridurre le perdite di trasmissione di potenza per i veicoli elettrici, realizzando trasmissioni e dispositivi di potenza più efficienti - con una riduzione delle perdite di potenza fino a 30%, una maggiore densità di potenza, un numero inferiore di componenti e sistemi di ricarica più veloci rispetto ai semiconduttori della generazione precedente. Questi semiconduttori al carburo di silicio di terza generazione possono consentire sistemi di ricarica ancora più veloci per i veicoli elettrici.