炭化ケイ素とその導電性

炭化ケイ素は非常に硬い合成材料で、モース硬度は9。さらに、炭化ケイ素は高温に耐えるだけでなく、優れた電気伝導特性を示す。

セラミック材料から作られた電子部品は、電気回路の信号を増幅、スイッチング、変換するデバイスを形成するために組み立てることができる。このようなデバイスは、電源やトラクション・コントロール・インバータなど、数多くの電気自動車アプリケーションで利用されています。

それは半導体だ

炭化ケイ素はバンドギャップが広く、高電圧に耐える半導体である。通常のシリコンの10倍の耐電圧を誇り、1000Vを超えるシステムでは窒化ガリウムを凌駕する。そのため、ダイオードやトランジスタなどのパワーエレクトロニクス・デバイス、ポンプのベアリング、バルブ、工業用研磨ノズル、防弾チョッキのセラミック・プレートなどに適している。

エドワード・G・アッションが炭化ケイ素を発見したのは1891年のことで、粉末状の粘土と炭素の混合物を石炭アーク灯に似た電気炉で加熱したところ、硬度と輝度の点でダイヤモンドに似た結晶が生成された。彼はこの新しい化合物を、天然鉱物のコランダムにちなんでカーボランダムと名付けた。

炭化ケイ素は、ケイ素原子と炭素原子が共有結合で四面体配位した層からなる複雑な結晶構造をしており、導電状態と絶縁状態の間で振動する半導体を作ることで、エネルギーを失うことなく電気を伝達することができる。

高い

炭化ケイ素は製造コストが高い材料であり、そのコストは主に原材料と製造工程費用によって左右される。製造コストが高いため、炭化ケイ素はこれまで大規模な用途にしか適していなかったが、近い将来、技術の進歩によって市場がさらに拡大する可能性がある。

炭化ケイ素は耐食性に優れ、極端な温度にも耐えられるため、耐火物業界では高品質の耐火物を製造するための原料として使用されています。また、セラミック製造や鉄鋼材料製造に加え、サンドブラストや研削加工にも有効活用されています。

炭化ケイ素は純粋な状態では電気絶縁体であるが、不純物や他の元素がドープされると半導電性を示すようになり、様々な電子機器に有用となる。

アジア太平洋地域は、携帯電話基地局や無線周波数部品の需要が高いため、現在世界の炭化ケイ素市場をリードしており、今後も主要な収益源であり続けると予測されている。

炭化ケイ素市場の促進要因には、鉄鋼生産の成長とゼロ・エミッション技術の世界的な採用が含まれる。電気自動車に使用される炭化ケイ素部品は、燃料を使用する同等品よりもエネルギー効率が高く、場所を取らないため、この市場をさらに活性化させる可能性が高い。

処理が難しい

炭化ケイ素は様々な分野で応用されているが、その加工は難しい。製造には、珪砂と炭素を高温炉で不純物がなくなるまで加熱する必要がある（廃棄物の発生量は40%に達するという試算もある）。

純粋な状態の炭化ケイ素は絶縁体として機能するが、窒素やリンをドープすると半導体になり、さらにアルミニウム、ホウ素、ガリウム、ベリリウムをドープしてn型半導体やp型半導体を作ることもできる。

炭化ケイ素はまだ高価かもしれないが、やがて電子機器に不可欠な部品になるだろう。シリコンに比べてはるかに高いエネルギー・バンドギャップを持つ炭化ケイ素は、通常よりも高い温度と電圧で動作するデバイスを機能させることができる。この機能は、消費者がより長い走行距離とより速い充電時間を求める電気自動車において特に重要である。

炭化ケイ素を電子機器に使用するには、まずウェハーに切断する必要がある。炭化ケイ素の普及を妨げる大きな要因の一つは、その硬さゆえにスライスが難しく、廃棄物や製品の歩留まり低下につながることである。

電子自動車に使用されている

炭化ケイ素（SiC）は、電気自動車の性能と効率を大幅に向上させる可能性を秘めた先進的な第3世代半導体材料である。SiCは、従来のシリコンよりも優れた電気特性を有しており、例えば、より高い温度動作範囲、より高い許容接合温度、より高い電力密度密度、より高い耐放射線性などがあります。さらに、電力損失を低減し、効率を高める高電圧と電流をより効果的に扱うことができます。

炭化ケイ素はケイ素と炭素からなる硬くてもろいセラミックで、数多くの用途がある。カーボランダム研磨剤や防弾チョッキの接着剤としての使用から、炭化ケイ素を成分として含むパワーエレクトロニクス機器や太陽電池のような高性能エレクトロニクスまで、炭化ケイ素は、部品の寿命を延ばし、消費電力を減らすことで製造コストを削減します。

ユナイテッド・シリコン・カーバイド社は、電気自動車の送電損失を低減する方法を業界が見出すのに役立つ炭化ケイ素半導体を開発し、旧世代の半導体よりも最大30%の電力損失低減、高電力密度、部品点数の削減、充電システムの高速化を実現し、より効率的なドライブトレインとパワーデバイスを実現した。これらの第3世代炭化ケイ素半導体は、EV用の充電システムのさらなる高速化を可能にするかもしれない。