Como a condutividade do carbeto de silício é eletricamente condutiva?

O carbeto de silício é um composto versátil com inúmeras aplicações em diversos setores, como aquecimento por resistência, ignitores de chama e componentes eletrônicos. Devido à sua composição e ao processo de fabricação, o carbeto de silício pode atuar como isolante ou condutor, dependendo da composição e do processo de fabricação. Com propriedades tão diversas, ele se tornou um ativo inestimável nessas áreas de prática.

Os fabricantes podem adaptar sua condutividade elétrica dopando-o com nitrogênio, fósforo, berílio, alumínio e gálio para produzir semicondutores do tipo n ou do tipo p. Além disso, sua alta condutividade térmica o torna um material útil para aplicações de troca de calor.

Propriedades

O carbeto de silício, comumente chamado de SiC, é um composto duro e durável, frequentemente utilizado como material abrasivo e refratário. No entanto, suas propriedades versáteis também lhe conferem muitos outros usos, desde a força mecânica e a resistência ao estresse térmico, o que o torna perfeito para aplicações exigentes, até a tolerância ao estresse elétrico e as propriedades de energia de banda larga, que o tornam um excelente candidato para aplicações de eletrônica de potência.

Embora o SiC seja geralmente considerado um isolante em seu estado puro, com certas adições ele pode se tornar um semicondutor. Esse processo, conhecido como dopagem, é amplamente praticado no setor de semicondutores e envolve a adição de substâncias que aumentam o número de portadores de carga livre dentro das estruturas cristalinas, permitindo que os elétrons ou buracos se movimentem mais facilmente dentro delas, permitindo que os elétrons ou buracos se movimentem mais facilmente dentro delas, permitindo que os elétrons ou buracos se movimentem mais livremente dentro do material. A dopagem também pode ajudar a controlar a forma da rede, bem como a supercondutividade em determinadas circunstâncias

O SiC é um material extremamente forte e durável devido à sua estrutura cristalina, o que o torna adequado para ferramentas de corte e outras máquinas industriais devido à sua capacidade de suportar altos níveis de calor. Além disso, o SiC apresenta baixo coeficiente de expansão e uma temperatura de fusão de 2.200degC, o que o torna uma escolha popular entre os fabricantes de dissipadores de calor e cadinhos.

O SiC é um excelente material abrasivo com a mais alta dureza entre os materiais abrasivos naturais - seu nível de dureza na escala Mohs (9) rivaliza com o nível 10 do diamante para aplicações de esmerilhamento e corte em ambientes industriais. Isso faz do SiC um material eficaz a ser utilizado.

A condutividade elétrica do carbeto de silício é um elemento indispensável dos dispositivos de alto desempenho em eletrônica. Sua baixa resistência pode reduzir significativamente as perdas e melhorar o desempenho ao longo do tempo, o que se traduz em economias de custo significativas para os fabricantes. Além disso, o carbeto de silício resiste a altas temperaturas, onde outros materiais se degradariam rapidamente, o que o torna ideal para aplicações exigentes ou de missão crítica, como fontes de alimentação e dispositivos militares.

Aplicativos

O carbeto de silício (SiC) é um material isolante com propriedades tanto de metais quanto de isolantes, o que o torna adequado para várias aplicações de fabricação e eletrônica. A condutividade elétrica do SiC depende de sua composição e do processo de fabricação; dependendo das flutuações de temperatura ou das impurezas presentes, o SiC pode atuar como isolante ou semicondutor, dependendo de sua composição ou do processo de fabricação.

O carbeto de silício, como material semicondutor, absorve e transmite eletricidade com muito mais eficiência do que os metais devido à sua maior mobilidade de elétrons e à maior lacuna de energia. Essa ampla lacuna permite que o SiC opere em temperaturas, tensões e frequências significativamente mais altas sem comprometer a confiabilidade, além de tornar os dispositivos eletrônicos menores e mais econômicos.

Devido a essas vantagens, o carbeto de silício está sendo cada vez mais utilizado em componentes eletrônicos de alto desempenho, incluindo semicondutores de potência e iluminação LED. Além disso, sua baixa expansão térmica e extrema dureza o tornam ideal para uso como espelhos de telescópio. Além disso, sua durabilidade e resistência à oxidação o tornam adequado como material para freios de automóveis, embreagens e placas de cerâmica usadas em coletes à prova de balas.

A dopagem de SiC poroso com vários elementos permite que ele seja alterado eletricamente, criando níveis de energia próximos ao seu bandgap que diminuem a resistência elétrica, criando assim carbetos de silício porosos funcionais para aplicações elétricas e ópticas avançadas.

Uma aplicação exemplar disso é a produção de LEDs com menor consumo de energia, maior estabilidade de cor e maior eficiência. Um SiC poroso com a dopagem adequada é ideal como fonte de evaporação com baixa resistência para a produção de metalização de filmes finos, o que ajuda na fabricação de LEDs avançados com melhor consumo de energia, consistência de cor e estabilidade de temperatura, além de maior eficiência.

Manipulação

O carbeto de silício é um material extremamente duro e quebradiço com uma estrutura cristalina. É extremamente forte, tem um ponto de fusão extremamente alto, é resistente ao calor e tem uma alta força de campo elétrico de ruptura - características ideais para aplicações elétricas. A condutividade pode ser alterada por meio da dopagem do material com outros elementos; dependendo do(s) elemento(s) adicionado(s) durante a dopagem, isso determinará suas propriedades eletrotérmicas, inclusive sua capacidade de tolerar altas tensões.

O SiC é diferente da maioria dos metais; suas qualidades de isolamento elétrico fazem com que ele se destaque como um dos poucos semicondutores entre os metais. Mas dopá-lo com nitrogênio ou fósforo produzirá um semicondutor do tipo n, enquanto o alumínio, o boro ou o gálio resultarão em um semicondutor do tipo p.

Manipulações como essas podem aumentar significativamente a condutividade elétrica dos materiais. Os pesquisadores relataram materiais com coeficientes de Seebeck que atingem de 70 a 200 uV K-1; esse valor se compara favoravelmente com alguns metais e é mais de duas vezes superior ao que normalmente seria observado no SiC puro.

O carbeto de silício provou seu valor na eletrônica moderna ao suportar altas temperaturas e tensão elétrica, mantendo taxas de expansão térmica relativamente baixas - o que significa que seu formato não se deforma nem se deforma sob calor ou pressão - o que permite que ele seja usado em aplicações que exigem alta capacidade de tensão, como geração e transmissão de energia.

O carbeto de silício pode ser projetado para apresentar diferentes características, que vão desde a semicondutividade até a condutividade metálica. Além disso, ele pode ser fabricado em diferentes formas e tamanhos para atender a várias necessidades de aplicação, desde pequenos chips usados em dispositivos eletrônicos até grandes blocos que podem ser cortados em wafers para fins de fabricação.

A Calix Ceramic Solutions projetou um material de SiC sinterizado com baixa resistividade elétrica para uso como material de usinagem por descarga elétrica (EDM), adequado para corte em comprimento ou largura usando máquinas EDM convencionais. Eles oferecem vários graus desse material para atender a diversas aplicações.

Fontes

O carbeto de silício (SiC) possui uma propriedade intrigante conhecida como semicondutividade. O SiC fica em um ponto intermediário entre os metais que conduzem eletricidade e os isolantes que não a conduzem, mas pode apresentar as duas características simultaneamente, dependendo da temperatura e das impurezas. Em temperaturas mais baixas, ele se comporta mais como um isolante, resistindo ao fluxo elétrico, ao passo que, assim que a temperatura aumenta, ele começa a conduzir eletricidade mais ativamente.

Produzido por meio do aquecimento de areia de sílica com fontes de carbono, como o coque de petróleo, em um forno Acheson a altas temperaturas, formam-se grãos de carbeto de silício que podem ser tanto verdes quanto pretos, muitas vezes misturados com outros produtos químicos, como boro e alumínio, para usos mais complexos em dispositivos eletrônicos.

O SiC pode ser transformado em um semicondutor do tipo n com a adição de pequenas quantidades de silício puro. Ao aumentar o teor de C, são criados semicondutores do tipo p. Ambos os tipos têm amplos intervalos de energia de bandgap, o que lhes permite lidar com tensões mais altas e operar em frequências mais altas do que os dispositivos baseados em silício.

O SiC é frequentemente aprimorado com segundas fases eletricamente condutoras para aumentar sua resistência elétrica, tornando-o adequado para aplicações como aquecedores e motores elétricos. Essas adições de segunda fase podem ser controladas por meio de nitretos metálicos adicionados durante o processamento ou até mesmo pela simples alteração das condições de sinterização.

O carbeto de silício é um material extremamente duro e quebradiço, com excelentes propriedades mecânicas, incluindo resistência em altas faixas de temperatura, resistência à abrasão e condutividade térmica. Além disso, seu baixo coeficiente de expansão térmica garante que ele não se expanda nem se contraia muito quando as temperaturas aumentam ou diminuem, o que o torna ideal para aplicações que envolvem operações de alta tensão em que a integridade estrutural deve ser preservada durante as operações de alta tensão.

O carbeto de silício é amplamente reconhecido por suas propriedades elétricas superiores, o que o torna a melhor opção para componentes elétricos, como diodos e transistores. Com uma força de campo elétrico de ruptura excepcionalmente alta (o que significa que ele pode suportar níveis mais altos de eletricidade sem se desintegrar), o carbeto de silício também opera em temperaturas mais altas do que outros semicondutores à base de silício.