Siliciumcarbide en zijn elektrische geleidbaarheid

Siliciumcarbide is een extreem harde kunststof met een hardheid van 9 op de schaal van Mohs, waardoor het het negende hardste materiaal is op een continuüm van hardheid. Bovendien heeft siliciumcarbide uitstekende elektrische geleidbaarheidseigenschappen en is het bestand tegen hoge temperaturen.

Elektronische componenten gemaakt van keramische materialen kunnen worden samengevoegd tot apparaten die signalen in een elektrisch circuit versterken, schakelen en omzetten. Dergelijke apparaten worden gebruikt in tal van toepassingen voor elektrische voertuigen, waaronder voedingen en inverters voor tractieregeling.

Het is een halfgeleider

Siliciumcarbide is een halfgeleider met een brede bandkloof waardoor het bestand is tegen hoge spanningen. Het heeft tien keer de spanningsweerstand van gewoon silicium en presteert zelfs beter dan galliumnitride in systemen van meer dan 1000 V, waardoor het geschikt is voor elektronische apparaten zoals diodes en transistors, lagers van pompen, kleppen en straalbuizen die industrieel worden gebruikt en keramische platen in kogelvrije vesten.

Edward G. Acheson deed de ontdekking van siliciumcarbide in 1891 toen hij een mengsel van poedervormige klei en koolstof verhitte in een elektrische oven die leek op een kolenbooglamp, waarbij hij kristallen produceerde die qua hardheid en helderheid leken op diamanten. Hij noemde deze nieuwe verbinding carborundum naar de natuurlijke minerale vorm korund.

Siliciumcarbide heeft een ingewikkelde kristalstructuur die bestaat uit lagen van silicium- en koolstofatomen die covalent aan elkaar zijn gebonden in tetrahedrale coördinatievormen, waardoor een halfgeleider ontstaat die schommelt tussen geleidende en isolerende toestanden, waardoor het elektriciteit kan overdragen zonder energie te verliezen; hierdoor is het geschikt voor elektrische voertuigen die vermogenselektronica nodig hebben die hoge spanningen en stromen aankan.

Het is duur

Siliciumcarbide is een duur materiaal om te produceren, waarbij de kosten voornamelijk worden bepaald door de kosten van grondstoffen en productieprocessen. Door deze hoge productiekosten is siliciumcarbide van oudsher alleen geschikt voor grootschalige toepassingen, maar technologische vooruitgang kan de markt in de nabije toekomst verder uitbreiden.

Siliciumcarbide wordt gebruikt als grondstof in de vuurvaste industrie voor de productie van vuurvaste materialen van hoge kwaliteit, omdat het zeer corrosiebestendig is en bestand tegen extreme temperaturen. Zandstralen en slijpen maken er ook effectief gebruik van, naast keramiekproductie en de productie van ijzerhoudende materialen.

Siliciumcarbide is in zijn pure vorm een elektrische isolator, maar wanneer het gedoteerd is met onzuiverheden of andere elementen kan het halfgeleidende eigenschappen vertonen, waardoor het nuttig is in verschillende elektronische apparaten.

Azië-Pacific leidt momenteel de wereldwijde siliciumcarbidemarkt vanwege de grote vraag naar basisstations voor mobiele telefoons en radiofrequentiecomponenten, en zal naar verwachting de komende jaren de belangrijkste inkomstenbron blijven.

Aanjagers van de siliciumcarbidemarkt zijn onder andere de groei van de staalproductie en de wereldwijde toepassing van emissievrije technologie. Onderdelen van siliciumcarbide die in elektrische voertuigen worden gebruikt, zullen deze markt waarschijnlijk verder aanwakkeren omdat ze energiezuiniger zijn en minder ruimte innemen dan hun equivalenten op brandstofbasis.

Het is moeilijk te verwerken

Siliciumcarbide heeft veel toepassingen op verschillende gebieden, maar de verwerking ervan kan een uitdaging zijn. Bij de productie worden silicazand en koolstof samen verhit in ovens met een hoge temperatuur totdat alle onzuiverheden uit het mengsel zijn verwijderd (volgens sommige schattingen kan de productie van afvalmateriaal oplopen tot 40%).

Siliciumcarbide in zijn pure vorm werkt als een isolator, maar wanneer het gedoteerd wordt met stikstof of fosfor wordt het een halfgeleider en kan het zelfs verder gedoteerd worden met aluminium, boor, gallium of beryllium om n-type en p-type halfgeleiders te produceren, waardoor SiC een geschikt halfgeleidermateriaal is bij zowel hoge temperaturen als vermogensniveaus.

Siliciumcarbide is misschien nog duur, maar het zal na verloop van tijd een integraal onderdeel worden van elektronische apparaten. Door de veel hogere energie-bandkloof in vergelijking met silicium kan siliciumcarbide apparaten laten functioneren die bij hogere temperaturen en spanningen werken dan normaal. Deze eigenschap is vooral belangrijk in elektrische voertuigen waar consumenten een groter rijbereik en snellere oplaadtijden nodig hebben.

Siliciumcarbide moet eerst in wafers worden gesneden voordat het in elektronische apparaten kan worden gebruikt, een langdurig en nauwkeurig proces dat hoogwaardige apparatuur en deskundige kennis vereist. Een belangrijk obstakel voor de wijdverspreide toepassing van siliciumcarbide is dat het snijden moeilijker is door de hardheid, wat leidt tot materiaalverspilling en een lagere productopbrengst.

Het wordt gebruikt in elektronische voertuigen

Siliciumcarbide (SiC) is een geavanceerd halfgeleidermateriaal van de derde generatie dat de prestaties en efficiëntie van elektrische voertuigen aanzienlijk kan verbeteren. SiC heeft betere elektrische eigenschappen dan het traditionele silicium, zoals een hoger temperatuurbereik, een hogere toelaatbare junctietemperatuur, een hogere vermogensdichtheid en een grotere stralingsweerstand; bovendien kan het beter omgaan met hoge spanningen en stromen, waardoor het vermogensverlies afneemt en de efficiëntie toeneemt.

Siliciumcarbide is een harde, brosse keramiek bestaande uit silicium en koolstof die talloze toepassingen kent. Van het gebruik als kleefstof in carborundum schuurmiddelen en kogelvrije vesten tot hoogwaardige elektronica zoals vermogenselektronica en fotovoltaïsche cellen die siliciumcarbide bevatten als ingrediënt dat de productiekosten verlaagt door de levensduur van componenten te verlengen en tegelijkertijd het stroomverbruik te verlagen.

United Silicon Carbide heeft siliciumcarbide-halfgeleiders ontwikkeld die de industrie kunnen helpen om manieren te vinden om de vermogensoverdrachtverliezen voor elektrische voertuigen te verminderen en om efficiëntere aandrijflijnen en voedingsapparaten te realiseren - met tot 30% minder vermogensverlies, hogere vermogensdichtheid, minder componenten en snellere laadsystemen dan halfgeleiders van de vorige generatie. Deze siliciumcarbide halfgeleiders van de derde generatie kunnen nog snellere laadsystemen voor EV's mogelijk maken.