Электропроводность карбида кремния

Электропроводность карбида кремния - незаменимое качество в современных высокотехнологичных приложениях, обеспечивающее производительность и надежность без ухудшения функциональности и безопасности. Благодаря своей химической стойкости карбид кремния может работать в экстремальных условиях без ухудшения функциональности и безопасности.

Легирование может изменить электропроводность SiC за счет добавления на его поверхность примесей, называемых допантами, которые создают свободные носители заряда (электроны или дырки), повышающие его электрические свойства.

Теплопроводность

Карбид кремния - исключительно твердый и прочный неоксидный керамический материал, обладающий многими необходимыми характеристиками, в том числе превосходной механической, химической и тепловой проводимостью, что делает его пригодным для использования в высокоэффективных приложениях. Кроме того, способность проводить электричество отличает его от других керамических материалов, позволяя использовать передовые электронные технологии.

Уникальная атомная структура карбида кремния позволяет изменять его электрическую и термическую структуру. Он классифицируется как полупроводниковый материал и находится где-то между металлами (которые проводят электричество) и изоляторами (которые его не проводят). Легирование позволяет управлять его способностью проводить электричество; эта практика широко используется при создании полупроводниковых чипов.

Увеличение количества примесей в карбиде кремния может существенно повлиять на его проводимость, так как это приведет к появлению дополнительных свободных носителей заряда, которые повысят проводимость материала. Кроме того, на успешность легирования может влиять температура.

Для повышения теплопроводности пористого SiC в процессе карботермического восстановления могут быть добавлены добавки, включающие нитриды и карбиды. Эти добавки могут быть выбраны на основе желаемых тепловых и электрических характеристик - добавление нитридов повысит теплопроводность при снижении удельного электрического сопротивления.

Улучшение теплопроводности пористого SiC путем изменения его микроструктуры. Этого можно добиться в процессе спекания, добавляя бескислородные нитриды и карбиды, которые улучшают тепло- и электропроводность, делая материал более стабильным и долговечным.

Карбид кремния является превосходным тепловым и электрическим проводником, обладая исключительно низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет ему эффективно рассеивать тепло и уменьшать образование напряжений и микротрещин в условиях высоких температур. Кроме того, высокая удельная теплоемкость делает его способным поглощать и накапливать большое количество энергии - качества, которые сделали карбид кремния бесценным материалом для применения в инструментальной, металлургической, керамической и электротехнической промышленности, в качестве футеровки блоков или кирпичей в доменных печах, в производстве технической керамики/порцелана, а также для защиты от радиации.

Электропроводность

Карбид кремния (SiC) - это исключительно прочная промышленная керамика, способная выдерживать экстремальные температуры, высокое напряжение и абразивное воздействие. Поэтому он является идеальным материалом для высокопроизводительных приложений, требующих повышенной надежности, эффективности и терморегулирования, например, для силовой электроники, где его уникальные физические свойства произвели революцию в этом секторе промышленности.

Впервые SiC был открыт жителем Пенсильвании Эдвардом Ачесоном в 1891 году и изготовлен с помощью сложного процесса, включающего нагревание кварцевого песка с источниками углерода, такими как нефтяной кокс, в печи Ачесона, в результате чего получаются два типа кристаллических зерен карбида кремния - зеленый и черный; их оттенок указывает на их чистоту, причем зеленый цвет ассоциируется с более высокой чистотой, чем черный.

В чистом виде карбид кремния выступает в качестве электроизолятора, однако легирование может сделать его полупроводниковым. При легировании карбид кремния имеет меньшее сопротивление, чем кремний или германий, и легче проводит электричество, хотя и не так эффективно, как металлы.

Проводимость пористого карбида кремния зависит как от его пористости, так и от типа присутствующего в нем углерода; это сложное явление остается малоизученным, несмотря на обширные исследовательские работы, и до сих пор является предметом постоянного изучения.

Пористый SiC с низким удельным электрическим сопротивлением (1,0x 10-5 Ом-см) обладает большим потенциалом в различных электронных приложениях. Управление этим электрическим сопротивлением представляет собой серьезную проблему, однако ее решение может позволить создать инновационные технологии датчиков и преобразования энергии.

Как правило, проводимость пористой SiC увеличивается с увеличением содержания углерода. Это явление происходит потому, что большее количество частиц SiC в пористой керамике заряжено положительно, в то время как большинство отрицательно заряженных ионов находится на ее поверхности, что создает более сильное электрическое поле на поверхности каждой частицы и, в конечном итоге, увеличивает проводимость и уменьшает электрическое сопротивление. При дальнейшем увеличении пористости этот эффект становится еще более заметным и способствует дальнейшему снижению уровня сопротивления.

Механическая проводимость

Карбид кремния - это исключительный кристаллический материал с превосходными механическими свойствами, способный выдерживать высокие температуры и электрические напряжения в сложных условиях. Кроме того, прочные свойства материала защищают его от физических ударов и вибраций - идеальное решение для электронных приложений, требующих высокой надежности.

Карбид кремния, обычно обозначаемый химической формулой SiC, был впервые открыт изобретателем из Пенсильвании Эдвардом Ачесоном в 1891 году. Хотя в природе он встречается лишь в крайне ограниченных количествах, как драгоценный камень муассанит, с 1893 года началось его массовое производство для использования в качестве абразива. Зерна SiC соединяются вместе путем спекания, образуя очень твердую керамику, которую можно найти в таких приложениях, как автомобильные тормоза и сцепления.

Уникальный химический состав карбида кремния также позволяет легировать его другими элементами для изменения характеристик, что приводит к полупроводниковому поведению либо n-типа, либо p-типа, в зависимости от того, какая примесь добавлена. Легирование азотом и фосфором приводит к получению карбида кремния n-типа, а легирование алюминием, бериллием, бором или галлием - к получению карбида кремния p-типа.

В одном из недавних исследований изучалось влияние пористости на электропроводность пористой керамики на основе SiC. Результаты показали, что удельное электрическое сопротивление значительно снижалось для образцов с более высоким процентным содержанием проводящей фазы (20 мас.%TP3T) по сравнению с образцами с более низким процентным содержанием (20 мас.%TP3T); кроме того, пористость влияла на проводимость в зависимости от температуры.

В других исследованиях изучалось влияние спекающих добавок на электрические свойства пористого SiC. Их добавление показало значительное снижение удельного электрического сопротивления пористых образцов SiC.

Исследователи заметили, что добавление бора значительно увеличивает электропроводность пористого SiC. Они также обнаружили, что добавление азота может еще больше увеличить электропроводность, удаляя кислород из кристаллической решетки и улучшая электропроводность; в обоих случаях его добавление не оказывало заметного влияния на стехиометрические свойства; кроме того, они обнаружили, что добавки к нестехиометрическому SiC изменяют его электропроводность от n-типа к p-типу в зависимости от количества добавленного за один раз.

Электрическое сопротивление

Карбид кремния в чистом виде действует как электрический изолятор. Но при контролируемом легировании (т.е. введении в него примесей) его электропроводность меняется, и он становится полупроводником, не пропускающим свободный ток и не отталкивающим его полностью. Эта особенность делает карбид кремния пригодным для компонентов, требующих высокой термической стабильности с заданными электрическими свойствами, таких как пламегасители или полупроводниковые приборы.

Черный карбид кремния отличается не только впечатляющей теплопроводностью, но и химической инертностью и устойчивостью к коррозии под воздействием большинства химических веществ, что делает его привлекательным материалом для производства абразивов, огнеупорных материалов с покрытием и связкой, а также для механической обработки/износа, обеспечивая устойчивость к ударам и толчкам. Кроме того, его прочность делает его пригодным для применения в механической обработке, где требуется износостойкость, а также амортизация.

Благодаря высоковольтному сопротивлению, которое в десять раз превышает сопротивление обычного кремния и превосходит сопротивление нитрида галлия, арсенид галлия быстро стал незаменимым компонентом в силовых электронных схемах. Кроме того, его способность выдерживать большие электрические поля при работе в условиях повышенных температур делает его привлекательным материалом для диодов, транзисторов и тиристоров, используемых в электромобилях, солнечных инверторах и сенсорных системах.

Удельное электрическое сопротивление спеченного пористого карбида кремния можно изменить путем легирования различными добавками, такими как Si, Al, B, V и C, чтобы создать энергетические уровни вблизи полосовой щели и снизить удельное электрическое сопротивление. Согласно одному из исследований31 , использование субмикронного Ni в качестве легирующей добавки эффективно снижает как удельное сопротивление, так и прочность на изгиб пористого SiC, связанного муллитом.

Исследователи обнаружили, что образцы, спеченные под воздействием Ar и имеющие идентичные нитриды и пористость, имели значительно более низкое удельное сопротивление по сравнению с b-SiC при той же температуре, что, возможно, связано с уменьшением степени превращения кубической (3C) фазы в гексагональную (6H) и последующим N2-допированием при спекании под N2. Это различие можно объяснить изменениями в переходе кубической (3C) в гексагональную (6H) фазу в результате спекания в Ar в сочетании с N2-допированием a-SiC во время спекания в N2, а также изменениями в переходе кубической (3C/3C/3H) фазы после спекания в N2.

При комнатной температуре удельное электрическое сопротивление a-SiC составило 2,11 x 10-3 О.см, что ниже, чем указано в литературе, и, возможно, связано с трудностями измерения удельного сопротивления при повышенных температурах. Тем не менее, данные по удельному сопротивлению хорошо коррелируют с данными по теплопроводности и прочности на изгиб, полученными в ходе данного исследования.