Che cos'è la conducibilità elettrica del carburo di silicio?

Il carburo di silicio (SiC) è un solido intermetallico che si colloca a metà strada tra i metalli (che conducono l'elettricità) e gli isolanti, con ampie lacune di banda ed elevata mobilità degli elettroni, che lo rendono un materiale interessante per le applicazioni dell'elettronica di potenza.

La capacità del silicio di resistere agli attacchi chimici ad alte temperature e la sua forza in un ampio intervallo di temperature lo rendono ideale per gli elementi riscaldanti a resistenza nei forni per semiconduttori e nei termistori; tuttavia, a differenza dei metalli, non conduce l'elettricità in modo altrettanto efficiente.

Conducibilità

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale estremamente duro e resistente con molte proprietà uniche che possono essere adattate a diverse applicazioni. Essendo un isolante a basse temperature e un conduttore a temperature più elevate, il SiC è un materiale eccellente per le applicazioni ad alta temperatura, come i refrattari e gli utensili da taglio, nonché per la produzione di semiconduttori, componenti aerospaziali e sistemi di gestione termica.

La struttura cristallina forte e insolubile del carburo di silicio lo rende altamente resistente alla corrosione e all'usura. Con una durezza su scala Mohs di 9, si colloca appena un gradino sotto il diamante in termini di durezza. Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato come materiale abrasivo ed è uno dei materiali sintetici più duri; la resistenza agli urti e al calore lo rendono una materia prima essenziale per la produzione di acciaio, ceramiche refrattarie e prodotti chimici inorganici.

Il SiC è una sostanza insolubile di colore grigio-marrone composta da quattro tetraedri di silicio e carbonio legati tra loro da legami covalenti, che costituiscono un materiale inorganico di grande durata, resistente all'attacco di acidi e alcali e a temperature fino a 1600degC. Il SiC è un materiale eccellente per la rettifica di altri carburi, ceramiche o metalli non ferrosi che possono essere più fragili o morbidi rispetto alla sua superficie dura.

Il SiC poroso dipende fortemente dalla sua composizione chimica, dalle condizioni di lavorazione e dalla microstruttura; in particolare dal politipo, dal livello di drogaggio, dalla porosità e dalla composizione degli additivi (nitruri e carburi metallici). Inoltre, l'atmosfera di sinterizzazione ha un profondo impatto sulla sua conducibilità elettrica, cambiando la struttura della fase cristallina e alterando le transizioni b-a.

Recentemente, un gruppo di ricercatori ha studiato l'influenza dell'atmosfera di sinterizzazione sulla conducibilità elettrica del SiC poroso con composizione Y2O3 + AlN. L'indagine ha stabilito che la sinterizzazione in Ar si è dimostrata superiore per l'abbassamento della conduttività rispetto alla sinterizzazione sotto vuoto, a causa della riduzione dei tassi di trasformazione da b ad A e del drogaggio di N nel materiale sinterizzato.

Il coefficiente di Seebeck del SiC puro è compreso tra -70 e -200 uV K-1, mentre la polvere di SiC commerciale contiene impurità N provenienti dall'aria che ne determinano la conduzione di tipo n. Tuttavia, la sua conduttività può essere modificata in tipo p aggiungendo l'additivo 3-5% C.

Temperatura

La temperatura gioca un ruolo fondamentale nella conducibilità elettrica del carburo di silicio. A temperature più basse, il carburo di silicio si comporta come un isolante, resistendo al flusso di elettricità; a temperature più elevate, invece, la sua struttura cristallina permette ai fononi di muoversi più liberamente, consentendo all'elettricità di passare più facilmente.

Il carburo di silicio può essere modificato per mostrare proprietà semiconduttive attraverso l'aggiunta accurata di impurità o droganti, tra cui alluminio, boro o gallio come droganti; il drogaggio con azoto o fosforo produrrà un semiconduttore di tipo N.

Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un materiale prezioso per dispositivi ad alta potenza e applicazioni industriali all'avanguardia. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione chimica e all'usura lo rende un materiale versatile e adatto a un uso all'avanguardia.

Per capire meglio come la temperatura influenzi la conduttività del carburo di silicio, i ricercatori hanno studiato diversi compositi e fibre per ottenere maggiori informazioni. Ad esempio, hanno confrontato la conducibilità elettrica delle fibre di SiC prodotte tramite infiltrazione chimica da vapore con quelle create tramite polimero-impregnazione-pirolisi (PIP). I risultati hanno dimostrato variazioni significative tra le conduttività termiche dei materiali PIP-SiC e CVI-SiC, che vanno da 20 a 1000 gradi centigradi.

I ricercatori hanno anche analizzato l'effetto del contenuto di carbonio sulla conduttività del materiale. Hanno osservato che la sinterizzazione dei campioni in Ar è riuscita a ridurre la resistività elettrica grazie alla riduzione della transizione di fase b-a e alla drogatura N dei campioni rispetto alla sinterizzazione sotto vuoto.

Anche la conduttività termica è migliorata con l'aggiunta di quantità crescenti di carbonio, forse perché il carbonio in eccesso forma una soluzione solida nel reticolo del SiC che consente un flusso di fononi più libero. Inoltre, la sinterizzazione può alterare i parametri reticolari del cristallo di SiC ed essere uno dei motivi per cui i campioni di C-SiC e Si-SiC presentano coefficienti di Seebeck più elevati rispetto alle loro controparti di SiC puro.

Porosità

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro, resistente agli agenti chimici e con eccellenti proprietà di conducibilità termica, utilizzato in tutti i settori: tribologico, elettrico, meccanico e nucleare. Grazie ai suoi bassi tassi di attrito e di usura, consente di operare con una potenza (P) inferiore ma con una velocità o una velocità di rotazione (V) superiore, il che lo rende particolarmente utile nelle tenute meccaniche che devono sopportare carichi di compressione e velocità di scorrimento elevate.

Tuttavia, la conduttività intrinseca del carburo di silicio esagonale di tipo n è bassa; per aumentarla ulteriormente e migliorare la conduttività, è necessario aumentare la porosità attraverso tecniche di fase liquida a bassa pressione (LPP), come l'utilizzo di una pressione di 0,01 bar a LPP per creare pori nei cristalli - molto più economici dei metodi tradizionali come la pressatura isostatica a caldo, pur producendo prodotti di carburo di silicio porosi di qualità superiore.

La struttura porosa del carburo di silicio consente il libero passaggio degli elettroni, diminuendo così la resistenza elettrica e aumentando la conduttività. Questo effetto si ottiene grazie ai livelli energetici che si formano in prossimità del band gap e che possono essere modificati utilizzando vari additivi, come gli accettori C e N2 per ridurre la resistività elettrica, mentre i donatori B e V la aumentano.

Per ottenere la porosità desiderata, è fondamentale gestire attentamente i parametri di sinterizzazione. Inoltre, il processo deve avvenire in condizioni che preservino l'integrità della microstruttura, ad esempio aggiungendo fughe di polimeri nel lotto grezzo. Questo ci permette di controllare la dimensione, la forma e la quantità dei pori e di controllare la porosità durante la sinterizzazione; da qui il termine carburo di silicio a porosità controllata o PCSSC.

Una delle applicazioni principali per il SiC poroso sono i componenti delle tenute meccaniche, che devono resistere a condizioni di elevata velocità PV e di scorrimento, tenendo conto anche delle fluttuazioni di temperatura. Queste proprietà rendono il SiC poroso un componente prezioso non solo per le tenute meccaniche, ma anche per molte altre applicazioni che richiedono bassi tassi di attrito/usura, un aspetto che fino a poco tempo fa i materiali disponibili in commercio non erano in grado di soddisfare; grazie alla nuova tecnologia, tuttavia, è ora disponibile una generazione di PCSSC adatta a un'ampia varietà di applicazioni industriali.

Il doping

Il carburo di silicio può essere modificato per ottenere diverse proprietà elettriche attraverso il drogaggio. Il drogaggio comporta l'aggiunta di impurità nella struttura cristallina che creano un maggior numero di portatori di carica liberi (elettroni o buchi). Il drogaggio può aumentare o diminuire la conducibilità elettrica del carburo di silicio; il drogaggio è ampiamente praticato nell'industria dei semiconduttori come mezzo efficace per regolare le caratteristiche del materiale.

Il drogaggio del carburo di silicio comporta l'introduzione nella sua struttura cristallina di impurezze con un numero di elettroni di valenza inferiore a quello degli atomi di SiC, creando uno stato di vuoto nella sua banda passante che può essere riempito da elettroni termicamente eccitati provenienti dalla sua banda di valenza; questo processo produce quello che è noto come semiconduttore di tipo N; per modificare ulteriormente queste proprietà si può formare un semiconduttore di tipo p sostituendo alcuni atomi di SiC con altri con un maggior numero di elettroni di valenza, come ad esempio gli atomi di Al, Be, Boro o Gallio, che possono produrre effetti simili; a loro volta, questo crea un semiconduttore di tipo N, che può anche risultare un semiconduttore drogato.

La maggior parte dei dispositivi a semiconduttore combina semiconduttori di tipo N e di tipo p in una giunzione PN e la fa funzionare sotto polarizzazione in avanti per aumentare la conduttività elettrica inducendo il flusso di elettroni da un semiconduttore all'altro attraverso il potenziale positivo incorporato nel semiconduttore di tipo p indotto dalla polarizzazione in avanti, in modo da farli fluire più liberamente nel semiconduttore di tipo N, aumentando la conduttività elettrica.

La conduzione ohmica si verifica quando l'energia degli elettroni viene dissipata all'interno di un materiale semiconduttore per generare calore, aumentando la conducibilità elettrica del dispositivo e quindi la temperatura di quest'ultimo può essere modificata modificando la tensione applicata.

La conducibilità elettrica del carburo di silicio poroso dipende da diverse variabili, come la concentrazione di drogaggio, la temperatura e il campo elettrico. Uno studio su due tipi di carburo di silicio poroso ha mostrato che il 4H-SiC ha una conducibilità più elevata del 6H-SiC; inoltre, i droganti e la porosità influiscono in modo significativo sulla conducibilità.

Il carburo di silicio poroso è più spesso utilizzato nei compositi e nelle fibre, mentre le sue applicazioni più popolari riguardano i compositi realizzati con matrici contenenti silice e metallo e le fibre ricche di carbonio create tramite infiltrazione di vapore chimico o processi di impregnazione-pirolisi dei polimeri. Diverse aziende commercializzano diversi tipi di carburo di silicio a seconda dell'applicazione e delle proprietà desiderate; Matmatch, ad esempio, dispone di un'ampia gamma di prodotti di vari produttori di carburo di silicio.