Silisiumkarbid mot silisiumkisel for EV-omformere

Silisium er allment anerkjent som en av grunnpilarene i halvlederindustrien, men et annet halvledermateriale som vinner raskt terreng, er silisiumkarbid. Denne nykommeren har potensial til å forlenge rekkevidden til elektriske biler, samtidig som omformersystemene kan optimaliseres og størrelsen og vekten reduseres.

SiC er kjent for sitt brede båndgap, sin høye elektriske feltstyrke og sin høye varmeledningsevne - egenskaper som overgår de tilsvarende egenskapene til silisium. Dette gjør SiC til et uunnværlig materiale i høyspenningsapplikasjoner.

Fordeler med silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt hardt materiale, som bare overgås av diamant på Mohs-skalaen. På grunn av sin ekstreme slitestyrke blir SiC ofte valgt som slipemiddel i flere maskineringsprosesser, for eksempel honing, sliping, vannstråleskjæring og sandblåsing. Det brukes også i ildfaste materialer på grunn av sin høye temperaturstyrke og lave termiske ekspansjonsegenskaper - egenskaper som også er velkjente ved foringsarbeid. I tillegg er dette materialet en viktig komponent i moderne lapidarisk kunst - en eldgammel kunstform som bruker malte merker på papir for å skape et dyptrykt bilde - en kraftfull kombinasjon av hardhet og holdbarhet!

SiC er i ferd med å bli et attraktivt alternativ til silisiumhalvledere til bruk i kraftkomponenter som må tåle både høye temperaturer og spenninger, for eksempel elektroniske tenningsbrytere. Silisiumkarbid har en bredere båndgap som gjør det mulig å lage mer effektive kraftkomponenter som er mindre og lettere enn tilsvarende silisiumkomponenter.

Silisiumkarbid krystalliserer som en tettpakket struktur som holdes kovalent sammen av kovalente bindinger mellom de inngående atomene, og binder dem kovalent sammen i tredimensjonale kubiske arrangementer kalt tetraeder - bestående av fire silisium- og fire karbonatomer per koordinasjonstetraeder - med hjørnene forbundet gjennom hjørner som kobles sammen til polytypestrukturer som kan omfatte sekskantede sinkblende-strukturer eller ikke-kubiske former som b-SiC eller 3C-SiC-former.

Silisiumkarbid har en overlegen bruddseighet og hardhet sammenlignet med silisium, noe som gjør at det tåler større slagkrefter uten å ta skade, og det er derfor ideelt til bruksområder som slipende maskinering, slipeskiver og skuddsikre vester. Silisiumkarbid brukes også som ingrediens i ovner som brukes til å smelte metaller som støpejern og stål.

Etterspørselen etter elbiler forventes å øke betydelig over tid, noe som potensielt kan føre til flaskehalser i produksjonen og kvalitetsproblemer som reduserer utbyttet. For å bekjempe denne risikoen trenger selskapene pålitelig inspeksjonsutstyr - MTI Instruments' kapasitansbaserte SiC-defektdetektorer fra MTI kan hjelpe produsenter med å eliminere prosessfeil og øke utbyttet for elbilprodusenter ved raskt og nøyaktig å finne defekter på wafer-skala, noe som øker gjennomstrømningen. Produsenter av elbilbatterier kan dra nytte av hastigheten, nøyaktigheten og kostnadseffektiviteten ved å velge en integrert defektdeteksjonsløsning fra MTI Instruments med sine eksisterende verktøy.

Silisiumkarbid har bredere båndgap

Silisiumkarbid (SiC) er en ekstremt slitesterk heksagonal kjemisk forbindelse med et ekstremt bredt båndgap, nesten tre ganger bredere enn typiske silisiumhalvledere. Dette større båndgapet gjør det mulig å bygge kraftkomponenter som kan fungere ved høyere frekvenser og spenninger, samtidig som den termiske stabiliteten forbedres og koblingstapene reduseres.

Silisiumkarbid kommer i pulverform, klar til å omdannes til keramikk med ulike bruksområder. Vanlige bruksområder for SiC er blant annet bilbremser og -koblinger samt skuddsikre vester på grunn av sin utrolige styrke. SiC tåler temperaturer på opptil 1400 grader Celsius før det blir keramisert.

SiC kan dopes med bor og aluminium for å danne en halvleder av p-typen, mens nitrogen og fosfor kan gjøre den til en halvleder av n-typen, noe som gir designerne frihet til å designe produkter med presise ytelsesegenskaper som tilfredsstiller deres behov.

Silisiumkarbid har en unik evne til å tåle ekstreme driftstemperaturer og spenninger, noe som har ført til at etterspørselen har skutt i været innen elektronikkproduksjon. SiCs banebrytende egenskaper, som ofte kalles WBG-halvledere (wide-band gap), revolusjonerer kraftelektronikken ved å tilby et alternativ til silisiumteknologier og åpner for mange innovative bruksområder.

SiCs bredere båndgap gjør det mulig å oppnå høy blokkeringsspenning med lavere PÅ-motstand enn tradisjonelle silisiumstrømkomponenter, noe som gir fordelen av å forbedre effektiviteten, øke hastigheten og minimere effekttapet i elektroniske enheter. Kombinasjonen av høy motstandsspenning og lavere ON-motstand bidrar til å forbedre effektiviteten, øke leveringstiden og redusere effekttapet betydelig.

Silisiumkarbid har blitt stadig mer populært på grunn av bruken i elbilindustrien. SiCs evne til å håndtere høye spenninger og strømmer muliggjør raskere ladetider, lengre kjørelengder og mer effektive kraftsystemer - noe som gjør at SiC i økende grad brukes til batteriladere, innebygde DC-DC-omformere, drivlinjer samt industrielle applikasjoner som klimaanlegg og industriell automasjon.

SiCs brede båndgap gjør det til et ideelt materiale for systemdesign som gir større energitetthet, raskere drift og lavere totalkostnader. Elkem tilbyr EliteSiC IGBT-er i spenninger fra 650 V til 1200 V med dioder som er spesielt utviklet for å gi forbedret koblingsytelse med økt pålitelighet, samtidig som systemstørrelsen og -kostnadene reduseres.

Silisiumkarbid har høy varmeledningsevne

Silisiumkarbid ble først oppdaget av pennsylvanianeren Edward Acheson og har en rekke unike egenskaper som gjør det til et uvurderlig keramisk materiale i industrien. SiC er kjent for sin styrke, termiske stabilitet, skreddersydde elektriske egenskaper og kjemiske inertitet, noe som gjør det ideelt for tøffe miljøer der andre materialer ville svikte. SiCs kjemiske inertitet gjør det dessuten i stand til å tåle miljøer som vanligvis ville korrodert andre stoffer.

SiC er kjent for sin raske varmespredning på grunn av sin utmerkede varmeledningsevne og lave varmeutvidelseskoeffisient, noe som gjør det til det perfekte materialet for bruksområder som krever effektiv kjøling. SiCs eksepsjonelle hardhet og stivhet gjør det dessuten til en førsteklasses kandidat for bruk i prosesser som sliping og vannstråleskjæring.

Silisiumkarbid er et ideelt slipemateriale på grunn av sin hardhet, og det brukes i stor utstrekning i produksjonsverktøy og -maskiner som slipeskiver, verktøyblader og papir- og tøyprodukter. Silisiumkarbid har dessuten en fin finish som gir større nøyaktighet ved kutting av edelstener enn alternative slipematerialer.

Silisiumkarbid er en viktig bestanddel i høytemperaturstein og andre ildfaste materialer som brukes i metallurgi- og ildfasthetsindustrien, på grunn av sin motstand mot kjemiske reaksjoner, lave termiske ekspansjonshastighet og styrke ved høye temperaturer. Silisiumkarbid har derfor vist seg å være et pålitelig materiale som tåler den intense varmen som produseres i smelteovner.

Silisiumkarbid har også mange andre fordelaktige egenskaper. Det er et ekstremt slitesterkt materiale med utmerkede elektriske isolasjonsegenskaper, og det kan til og med endres ved hjelp av doping for å endre den elektriske ledningsevnen - noe som gjør SiC egnet til bruk i alt fra kraftelektronikk til sensorer.

Elkem produserer silisiumkarbid i henhold til kundens spesifikasjoner ved sitt toppmoderne anlegg i Liege i Belgia. Elkem Processing Services har fasilitetene som trengs for å omdanne rå SiC til pulver eller faste grå former som egner seg for ulike bruksområder. Elkem spesialiserer seg på å kun kjøpe inn råmaterialer av topp kvalitet og deretter skreddersy bearbeidingsprosessene til hver enkelt kundes behov, slik at de kan produsere produkter til lavere kostnader med forbedret ytelse.

Silisiumkarbid har lavere resistivitet

Silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør at elektroner raskt kan gå fra valensbåndet til ledningsbåndet, noe som gjør dette materialet egnet for kraftelektronikk, som må operere under ekstreme temperaturer. Standard halvledere av silisium krever ekstra energi for å gjennomføre den samme overgangen, noe som gjør disse materialene mindre egnet som kraftelektronikkomponenter.

SiC kan operere ved temperaturer helt opp til 1400 °C, sammenlignet med silisiums maksimale driftstemperatur på 175 °C, noe som gjør det til et utmerket materialvalg for høytemperaturapplikasjoner som fremdrift av elektriske kjøretøy. SiC reduserer behovet for aktive kjølesystemer som øker vekt, kompleksitet og kostnader, samtidig som effektiviteten økes og vektbesparelser oppnås.

Silisiumkarbid skiller seg fra vanlig silisium ved at overflatearealet er mye større, noe som gjør at det kan lede bort varmen mer effektivt og håndtere høyere spenninger og strømmer uten å bli overopphetet. Den økte motstandsdyktigheten mot kjemiske angrep gjør det dessuten ideelt for høytrykksmiljøer.

Silisiumkarbidets eksepsjonelle styrke og varmeledningsevne har potensial til å revolusjonere kraftelektronikken ved å tilby raskere koblingstider og større blokkeringsspenning enn tradisjonelle silisiumkomponenter. Penn State etablerte nylig Silicon Carbide Innovation Alliance for å fremme dette lovende materialet og fremme økosystemet for produksjon.

Silisiumkarbid er et av de hardeste syntetiske materialene menneskeheten kjenner til, med en Mohs-hardhetsgrad som ligger nær diamantens. Det brukes ofte som slipemiddel i slipeskiver og som keramikk i bilbremser og -koblinger samt i skuddsikre vester. Videre spiller silisiumkarbid en viktig rolle i utstyr for fresing og vannstråleskjæring på grunn av sin holdbarhet og lave slitasje.

Silisiumkarbidproduksjonen begynner med å varme opp råmaterialer som kiselsand og karbon til høye temperaturer i en elektrisk ovn, før de støpes eller formes til blokker eller stenger som reagerer med grafitt ved lavere temperaturer for å sublimere silisiumkarbidkrystaller gjennom det som er kjent som Lely-metodens digler; eventuelle urenheter som jern kan resultere i svarte krystaller, mens rene prøver vil gi grønne krystaller.