Що таке карбід кремнію?

Карбід кремнію, більш відомий як карборунд, є надзвичайно твердою хімічною сполукою, що має властивості як металу, так і ізолятора при різних температурах. Використовується в промисловому застосуванні, що вимагає тривалого використання.

Green SiC - це надзвичайно твердий і стійкий до корозії керамічний матеріал, вперше синтезований Едвардом Ачесоном у 1891 році шляхом спільного нагрівання кварцового піску і нафтового коксу в спеціальній печі. Він має видатні властивості, включаючи хорошу стійкість до корозії, високу механічну міцність, низьке теплове розширення і чудову стійкість до термічних ударів.

Внутрішня провідність

Карбід кремнію (SiC) - видатний матеріал, що характеризується високою міцністю і твердістю, хімічною інертністю, стійкістю до термічних ударів і широкою забороненою зоною, що робить його придатним для багатьох складних промислових застосувань, таких як підшипники ковзання, зношувані деталі, тиглі, напівпровідникові компоненти для спікання, а також форсунки пальників.

У чистому вигляді SiC діє як ізолятор, але з контрольованим додаванням домішок або легуючих речовин він може проявляти напівпровідникові властивості. Домішки алюмінію, бору або галію створюють напівпровідники p-типу; додавання фосфору або азоту створює напівпровідники n-типу. Їх здатність змінювати концентрацію електронів і дірок - різницю між їх кількістю в зоні провідності і валентній зоні - безпосередньо корелює з провідністю.

Власна провідність напівпровідника визначається кількома факторами, включаючи енергію Фермі, висоту валентної зони та зони провідності, рухливість електронів у зоні провідності та заряд на електрон. Коли більше атомів у валентній зоні зв'язані зі своїми батьківськими атомними орбіталями, вони мають нижчу енергію Фермі, що зменшує ймовірність їх переходу в зону провідності за рахунок теплових коливань кристалічної решітки SiC (фононної емісії). При кімнатній температурі власні носії заряду рівномірно розподілені між обома зонами з рівною кількістю електронів і дірок у кожній зоні, що робить SiC кращим провідником в цілому.

Однак при нагріванні до високих температур його валентна зона стає частково порожньою, оскільки атоми кремнію більше не відчувають достатніх теплових коливань, щоб достатньо збуджувати свої коливальні моди. Це призводить до того, що частина валентних електронів переходить у зону провідності і значно збільшує провідність.

З підвищенням температури відбувається рекомбінація електронів і дірок, поки не буде досягнута точка рівноваги при характерній для напівпровідника температурі. Провідність можна додатково збільшити за допомогою електричного струму або електромагнітного випромінювання, щоб стимулювати генерацію і рекомбінацію електронно-діркових пар, що дозволяє електронним пристроям, таким як діоди і транзистори, працювати при більш високих напругах і частотах без шкоди для надійності.

Провідність на границях зерен

Карбід кремнію має складну кристалічну структуру з численними політипами. Конкретний політип можна ідентифікувати за кількістю та розташуванням атомів вуглецю в його шарах; кожна послідовність укладання генерує унікальні комбінації орієнтації через енергетичні міркування (можливі як бічні трансляції, так і обертання), що призводить до сотень можливих конфігурацій на один шар в експериментальному зразку SiC.

Щоб краще зрозуміти провідність SiC, необхідно розглянути всі можливі напрямки транспорту заряду. Для цього було проведено комплексні вимірювання імпедансу на зразках, межі зерен яких були ідентифіковані за допомогою EBSD-аналізу і вписані в модель, яка враховує як об'ємну, так і межову провідність; результати показують, що межова провідність є домінуючою силою, яка визначає загальні властивості електротранспорту при підвищених температурах.

Провідність gB сильно залежить від температури і розміру зерна, причому процедура охолодження і домішки, присутні на межі зерен, також мають вплив. Рисунок 5а ілюструє цю залежність, порівнюючи іонну провідність зерна, отриману в цій роботі, з літературними значеннями для кераміки, що відливається з розплаву; можна побачити, що її відповідність літературним значенням для кераміки, що відливається з розплаву, дуже близька; будь-які відхилення, про які повідомляється, ймовірно, є наслідком відмінностей у методі підготовки зразків гранул, що використовувалися для вимірювання, неточного підбору імпедансу або неправильних розрахунків еквівалентних ланцюгів.

Як правило, провідність gB зменшується з підвищенням температури і вмісту домішок; цей ефект набагато менш виражений для чистих матеріалів, що містять значну кількість другої фази, ніж для тих, що містять значну кількість домішок. З підвищенням температури рухливість електронів зменшується; вони з більшою ймовірністю затримуються в gB-структурах, яким перешкоджають структурні дефекти - це пояснює, чому рівень провідності високочистого SiC, як правило, нижчий, ніж у комерційно доступних формах; щоб компенсувати це, можна додати електропровідні частинки другої фази при низькій температурі і в кінцевому підсумку зменшити gB-провідність до рівнів, які відповідають практичним потребам застосування.

Провідність на поверхні зерен

Карбід кремнію, який зазвичай називають SiC, відноситься до надзвичайно різноманітної групи матеріалів, починаючи від кераміки, виготовленої з домішкових кристалітів SiC, з'єднаних між собою за допомогою різних сполучних речовин при високій температурі і тиску, і закінчуючи промисловими пластинами, виготовленими шляхом хімічного осадження з газової фази або вакуумного вирощування кристалітів SiC. Кожен тип карбіду кремнію має відмінні фізичні властивості, такі як електропровідність, що ускладнює прогнозування його характеристик для конкретних застосувань.

Провідність - це властивість атомної структури, яка визначається складом матеріалу та розміром зерен. На провідність бікристалу карбіду кремнію можуть впливати склад і структура меж зерен, а також спосіб формування; наприклад, провідність n-типу може залежати від домішок кисню на межі розділу з власним оксидом, що спостерігається за допомогою растрової електронної мікроскопії та скануючої нелінійної діелектричної мікроскопії (SNDM).

Подібно до SiC, напівпровідниковий SiC можна зробити таким, що демонструє характеристики p-типу, легуючи його алюмінієм, бором, галієм або азотом, тоді як легування азотом або фосфором призводить до характеристик n-типу. Збільшення легування підвищує електропровідність, але при прогнозуванні загальної провідності матеріалів необхідно враховувати збільшення площі поверхні.

Опір межі зерна визначається його атомною структурою, оскільки коливання періодичного атомного потенціалу від сусідніх кристалів спричиняють розсіювання електронів уздовж межі та зменшення питомого опору. Оскільки атоми мають тенденцію до більш щільного скупчення на границях зерен через меншу відстань між ними, їхній опір, як правило, більший, ніж внутрішній опір; ця близькість сприяє утворенню оксидних молекул, які ще більше знижують провідність; але цей ефект можна мінімізувати, якщо спроектувати їх так, щоб вони були якомога більш гладкими і щільними.

Провідність в інтервалах між зернами

Карбід кремнію (SiC) широко використовується в електронних пристроях завдяки своїй вищій провідності, рухливості електронів та зменшенню втрат потужності при високих температурах. Завдяки цій властивості він дозволяє створювати такі пристрої, як діоди Шотткі та транзистори, які підсилюють, перемикають або перетворюють електричні сигнали в електронних схемах, легше, ніж з інших матеріалів.

SiC може зазнавати значного погіршення провідності через опір на межі зерен, спричинений зміною періодичного атомного потенціалу порівняно з об'ємною решіткою SiC. Оскільки електрони перетинають численні межі в цій області, зміни потенціалу можуть викликати розсіювання електронів, що значно збільшує опір порівняно з об'ємним матеріалом.

Дослідники вивчали вплив вуглецю на провідність полікристалів і бікристалів SiC, щоб зрозуміти це явище. В рамках свого експерименту вони вивчали полірований бікристал, який містив 5 вагових відсотків вуглецю, використовуючи скануючу зондову мікроскопію, наноіндентування та дифракцію для аналізу вимірювань поверхневої енергії як цього зразка, так і монокристала SiC p-типу. Вони також виконали картування зерен з роздільною здатністю EBSD, топографічні зображення типу носія, а також топографічні зображення типу носія/концентрації для кожного з них для більшої наочності.

Топографічно поверхня бікристалу виявилася плоскою, але зображення типу носіїв і концентрації виявили темну ділянку біля границі зерен, спричинену шарами збіднення носіїв, викликаними заміщенням Sc в Si ділянках його решітки присадкою SiC під час спікання.

EBSD аналіз підтвердив існування шару виснаження і показав, що до його складу входять частинки SiAlON і b-Si3N4 в межах зерен (ЗЗ). Крім того, їхні значення s збігаються зі значеннями, знайденими для об'ємного SiC. Крім того, низькі значення s вказують на те, що більша частина провідності зумовлена розсіюванням фононів, а не вільних електронів, що добре узгоджується з температурною залежністю теплопровідності як для чистих тіл, так і для тіл з C-SiC.