Wat is de elektrische geleidbaarheid van siliciumcarbide?

Siliciumcarbide (SiC) is een intermetallische vaste stof die het midden houdt tussen metalen (die elektriciteit geleiden) en isolatoren, met brede bandgaps en een hoge elektronenmobiliteit, waardoor het een aantrekkelijke materiaalkeuze is voor toepassingen in de vermogenselektronica.

Omdat silicium bestand is tegen chemische aantasting bij hoge temperaturen en sterk is over een breed temperatuurbereik, is het ideaal voor weerstandsverwarmingselementen in halfgeleiderovens en thermistors; in tegenstelling tot metalen geleidt het echter niet zo efficiënt elektriciteit.

Geleidbaarheid

Siliciumcarbide (SiC) is een extreem hard, taai materiaal met veel unieke eigenschappen die op maat gemaakt kunnen worden voor verschillende toepassingen. Omdat SiC een isolator is bij lagere temperaturen en een geleider bij hogere temperaturen, is het een uitstekend materiaal voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals vuurvaste materialen en snijgereedschappen, maar ook voor de productie van halfgeleiders, ruimtevaartonderdelen en thermische beheersystemen.

De sterke, onoplosbare kristalstructuur van siliciumcarbide maakt het zeer resistent tegen corrosie en slijtage. Met een hardheid van 9 op de schaal van Mohs ligt het qua hardheid net een stap onder diamant. Siliciumcarbide wordt veel gebruikt als schuurmiddel en is een van de hardste synthetische materialen; door de schokbestendigheid en hittebestendigheid is het een essentiële grondstof voor de productie van staal, vuurvaste keramiek en anorganische chemicaliën.

SiC is een grijze tot bruine onoplosbare stof die bestaat uit vier tetraëders van silicium en koolstof die via covalente bindingen aan elkaar gebonden zijn. Dit maakt het tot een anorganisch materiaal met een grote duurzaamheid, bestand tegen aanvallen van zuren en alkaliën en bestand tegen temperaturen tot 1600°C. SiC is een uitstekend materiaal bij het slijpen van andere carbiden, keramiek of non-ferrometalen die kwetsbaarder of zachter kunnen zijn dan het harde oppervlaktemateriaal.

Poreus SiC is sterk afhankelijk van de chemische samenstelling, verwerkingsomstandigheden en microstructuur; met name het polytype, het doteringsniveau, de porositeit en de additiefsamenstelling (metaalnitriden en carbiden). Bovendien heeft de sinteratmosfeer een grote invloed op de elektrische geleidbaarheid door de kristallijne fasestructuur te veranderen en de b-naar-a overgangen te veranderen.

Onlangs onderzocht een onderzoeksteam de invloed van de sinteratmosfeer op de elektrische geleidbaarheid van poreus SiC met een samenstelling van Y2O3 + AlN. Hun onderzoek stelde vast dat sinteren met Ar superieur bleek te zijn voor het verlagen van het geleidingsvermogen in vergelijking met sinteren in vacuüm als gevolg van verminderde b-naar-a-transformatiesnelheden en N-doping van het gesinterde materiaal.

De Seebeck-coëfficiënt van zuiver SiC ligt tussen -70 en -200 uV K-1, terwijl commercieel SiC-bronpoeder N-onzuiverheden uit de lucht bevat waardoor het geleidt als een n-type geleider. Het geleidingsvermogen kan echter veranderd worden in een p-type door 3-5% C additief toe te voegen.

Temperatuur

Temperatuur speelt een cruciale rol in de elektrische geleidbaarheid van siliciumcarbide. Bij lagere temperaturen gedraagt siliciumcarbide zich meer als een isolator door de stroom van elektriciteit tegen te houden; bij hogere temperaturen echter laat de kristalstructuur fononen vrijer bewegen waardoor elektriciteit gemakkelijker kan passeren.

Siliciumcarbide kan worden aangepast om halfgeleidende eigenschappen te vertonen door voorzichtig onzuiverheden of doteermiddelen toe te voegen, waaronder aluminium, boor of gallium als doteermiddelen; dotering met stikstof of fosfor zal een N-type halfgeleider produceren.

De eigenschappen van siliciumcarbide maken het een materiaal van onschatbare waarde voor krachtige apparaten en geavanceerde industriële toepassingen. Bovendien maakt de weerstand tegen chemische corrosie en slijtage het een veelzijdige materiaalkeuze die geschikt is voor geavanceerd gebruik.

Onderzoekers die beter willen begrijpen hoe de temperatuur de geleiding van siliciumcarbide beïnvloedt, hebben verschillende composieten en vezels bestudeerd om meer inzicht te krijgen. Ze hebben bijvoorbeeld de elektrische geleidbaarheid van SiC-vezels die zijn geproduceerd door middel van chemische dampinfiltratie vergeleken met vezels die zijn gemaakt door middel van polymeerimpregnatie-pyrolyse (PIP). Hun resultaten toonden significante verschillen aan tussen de thermische geleidbaarheid van PIP-SiC en CVI-SiC materialen variërend van 20 tot 1000 graden Celsius.

Onderzoekers analyseerden ook het effect van het koolstofgehalte op de geleidbaarheid van het materiaal. Ze stelden vast dat het sinteren van monsters in Ar succesvoller was bij het verlagen van de elektrische weerstand door een verminderde b-naar-a faseovergang en N-doping van de monsters dan bij vacuümsinteren.

De thermische geleidbaarheid verbeterde ook met toenemende hoeveelheden toegevoegde koolstof, mogelijk omdat overtollige koolstof een vaste oplossing in het SiC-rooster vormt die een vrijere fononenstroom mogelijk maakt. Verder kan sinteren de roosterparameters van het SiC-kristal veranderen en een factor zijn waarom C-SiC- en Si-SiC-monsters hogere Seebeck-coëfficiënten hadden dan hun pure SiC-tegenhangers.

Poreusheid

Siliciumcarbide is een extreem hard, chemisch bestendig en thermisch geleidend materiaal met uitstekende thermische geleidbaarheidseigenschappen dat in allerlei industrieën wordt gebruikt - zowel tribologisch, elektrisch, mechanisch als nucleair. Dankzij de lage wrijvings- en slijtagesnelheden kan het materiaal worden gebruikt met een lager vermogen (P) maar een hogere snelheid of rotatiesnelheid (V), waardoor het vooral nuttig is in mechanische afdichtingen die bestand moeten zijn tegen zowel drukbelastingen als hoge glijsnelheden.

De intrinsieke geleidbaarheid van n-type hexagonaal siliciumcarbide is echter laag; om deze verder te verhogen en de geleidbaarheid verder te verbeteren, moet de porositeit toenemen door middel van lage-druk vloeibare fase (LPP) technieken zoals het gebruik van 0,01 bar druk bij LPP om poriën in kristallen te creëren - veel goedkoper dan traditionele methoden zoals heet isostatisch persen terwijl poreuze siliciumcarbideproducten van hogere kwaliteit worden geproduceerd.

De poreuze structuur van siliciumcarbide laat elektronen vrij passeren, waardoor de elektrische weerstand afneemt en de geleidbaarheid toeneemt. Dit effect wordt bereikt door energieniveaus in de buurt van de bandkloof die kunnen worden veranderd met verschillende additieven zoals C- en N2-acceptoren om de elektrische weerstand te verlagen, terwijl B en V donoren deze verhogen.

Om de gewenste porositeit te bereiken, is het cruciaal dat de sinterparameters zorgvuldig worden beheerd. Bovendien moet het proces plaatsvinden onder omstandigheden die de integriteit van de microstructuur behouden - bijvoorbeeld door polymeerfugitieven toe te voegen aan de ruwe batch. Hierdoor kunnen we de poriegrootte, vorm, hoeveelheid en porositeit tijdens het sinteren regelen; vandaar de term controlled Porosity Silicon Carbide of PCSSC.

Een van de belangrijkste toepassingen voor poreus SiC zijn mechanische afdichtingen, die bestand moeten zijn tegen zowel hoge PV- en glijsnelheden als temperatuurschommelingen. Dergelijke eigenschappen maken poreus SiC tot een component van onschatbare waarde, niet alleen in mechanische afdichtingen, maar ook in veel andere toepassingen die een lage wrijving/slijtage vereisen - iets waaraan commercieel beschikbare materialen tot voor kort niet gemakkelijk voldeden; dankzij nieuwe technologie is er nu echter een generatie PCSSC beschikbaar die geschikt is voor een breed scala aan industriële toepassingen.

Doping

Siliciumcarbide kan door doping worden veranderd om verschillende elektrische eigenschappen te krijgen. Doping houdt in dat er onzuiverheden aan de kristalstructuur worden toegevoegd die meer vrije ladingsdragers (elektronen of gaten) creëren. Doping kan de elektrische geleiding van siliciumcarbide verhogen of verlagen; doping wordt veel toegepast in de halfgeleiderindustrie als een efficiënte manier om materiaaleigenschappen te reguleren.

Doping van siliciumcarbide houdt in dat onzuiverheden met een lager aantal valentie-elektronen dan SiC-atomen in de kristalstructuur worden geïntroduceerd, waardoor een lege elektronentoestand in de bandkloof wordt gecreëerd die vervolgens kan worden gevuld door thermisch aangeslagen elektronen uit de valentieband; dit proces produceert wat bekend staat als een N-type halfgeleider; om deze eigenschappen verder te veranderen kan een p-type halfgeleider worden gevormd door sommige SiC-atomen te vervangen door atomen met meer valentie-elektronen, zoals Al-, Be-, Boro- of Galliumatomen die vergelijkbare effecten kunnen produceren; dit creëert op zijn beurt een N-type halfgeleider kan ook resulteren in gedopeerde halfgeleiders.

De meeste halfgeleiderelementen combineren N-type en p-type halfgeleiders in een PN-junctie en werken onder voorwaartse voorspanning om het elektrisch geleidingsvermogen te verhogen door elektronenstroom van de ene halfgeleider in de andere te induceren via voorwaartse voorspanning geïnduceerde positieve ingebouwde potentiaal van de p-type halfgeleider om vrijer in N-type halfgeleider te stromen, waardoor het elektrisch geleidingsvermogen toeneemt.

Ohmse geleiding treedt op wanneer elektronenenergie wordt gedissipeerd binnen een halfgeleidermateriaal om warmte te genereren, waardoor de elektrische geleidbaarheid toeneemt en dus de temperatuur van een apparaat kan worden gewijzigd door de toegepaste spanning te veranderen.

De elektrische geleidbaarheid van poreus siliciumcarbide hangt af van verschillende variabelen zoals de concentratie van het doteringsmateriaal, de temperatuur en het elektrische veld. Een onderzoek naar twee soorten poreus siliciumcarbide toonde aan dat 4H-SiC een hoger geleidingsvermogen had dan 6H-SiC; bovendien hebben de doteringsconcentratie en porositeit een significante invloed op het geleidingsvermogen.

Poreus siliciumcarbide wordt meestal gebruikt in composieten en vezels, terwijl de populairste toepassingen composieten zijn die gemaakt zijn met silicium- en metaalhoudende matrices en koolstofrijke vezels die gemaakt zijn door middel van chemische dampinfiltratie of polymeerimpregnatie-pyrolyseprocessen. Verschillende bedrijven verkopen verschillende soorten siliciumcarbide afhankelijk van de toepassing en de gewenste eigenschappen - Matmatch heeft bijvoorbeeld een uitgebreid assortiment producten van verschillende siliciumcarbidefabrikanten.