Silicon Carbide Diumumkan: Hartanah, Kaedah dan Aplikasi

Artikel ini menerangkan kualiti unik SIC, termasuk strukturnya, rintangan haba, kestabilan kimia, dan kekuatan mekanikal, yang menjadikannya lebih baik daripada bahan tradisional seperti silikon, galium nitride, dan germanium.Ia juga melihat cara yang berbeza SIC dihasilkan seperti proses acheson, pemendapan wap kimia, dan proses Lely yang diubahsuai dan bagaimana kaedah ini meningkatkan kesucian dan prestasinya untuk tujuan perindustrian.Artikel ini juga membandingkan sifat elektrik, terma, dan mekanikal SIC dengan semikonduktor lain, menonjolkan penggunaannya yang semakin meningkat di pasaran yang memerlukan ketumpatan kuasa tinggi, kecekapan terma, dan ketahanan.

Katalog

Rajah 1: Penutup tangan wanita memegang kristal silikon (sic) (aka carborundum atau moissanite)

Silikon karbida (sic)

Rajah 2: Karbida silikon dalam hidangan petri

Bentuk karbida silikon yang paling biasa adalah alpha silikon karbida (α-SIC).Ia terbentuk pada suhu lebih dari 1,700 ° C dan mempunyai bentuk kristal heksagon seperti wurtzite.Apabila suhu berada di bawah 1,700 ° C, beta silikon karbida (β-SIC) dihasilkan.Versi ini mempunyai struktur kristal yang serupa dengan berlian.

Rajah 3: Alpha Silicon Carbide (α-SIC)

Rajah 4: Beta Silicon Carbide (β-SIC)

Rajah 5: Skala Kekerasan Mohs

Silicon Carbide adalah salah satu bahan yang paling sukar selepas berlian, dengan kekerasan Mohs kira -kira 9 hingga 9.5. Kekerasannya boleh berbeza -beza berdasarkan bentuk dan kesuciannya, tetapi umumnya sangat tinggi, selalunya antara 2,480 dan 3,000 kg/mm².

Karbida silikon dapat menahan tekanan yang sangat tinggi, selalunya lebih dari 3,000 MPa, mempunyai kekuatan lentur yang tinggi, biasanya antara 400 dan 500 MPa, dan mempunyai kekuatan menarik yang baik, antara 250 dan 410 MPa.

Kekerasan Kaedah ujian	Ujian Julat nilai	Khusus Nilai (karbida silikon hitam)	Khusus Nilai (karbida silikon hijau)
Kekerasan Brinell	2400-2800 Hbs	2400-2600 Hbs	2600-2800 Hbs
Kekerasan Vickers	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Kekerasan Rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Kekerasan mohs	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic menjalankan panas dengan baik, dengan terma kekonduksian kira -kira 120 w/mk, menjadikannya hebat Menguruskan haba dalam elektronik.Pada 20 ° C, ia menjalankan haba pada kira -kira 0.41 watt Peratider per darjah Celsius (w/cm ° C).Tetapi apabila suhu naik ke 1000 ° C, konduksi habanya jatuh ke sekitar 0.21 w/cm ° C.

Tambahan pula, karbida silikon (sic) dengan cepat dipengaruhi oleh kebanyakan logam, logam oksida cair, dan alkali cair, tetapi ia tidak larut dalam asid atau pangkalan.Kekotoran dalam karbida silikon teknikal biasanya termasuk karbon percuma (c) dan silikon dioksida (SiO2), dengan sejumlah kecil silikon (SI), besi (Fe), aluminium (Al), dan kalsium (Ca).Berat molekul SIC ialah 40.096.Pure SIC diperbuat daripada 70.05% silikon (SI) dan 29.95% karbon (c).

Rajah 6: Struktur kimia silikon karbida (sic)

Rajah 7: Struktur kimia silikon karbida (sic)

Sifat-sifat N-Type dan P-Type Silicon Carbide (sic)

N-jenis karbida silikon (sic)

Silicon Carbide (SIC) adalah bahan yang sukar yang digunakan dalam aplikasi tekanan tinggi kerana ia mengendalikan haba dengan baik dan sangat kuat.Untuk membuat n-jenis sic, kekotoran ditambah, proses yang dipanggil doping, yang mengubah sifat elektriknya.Unsur -unsur seperti nitrogen atau fosforus, yang mempunyai lebih banyak elektron valensi daripada silikon, ditambah untuk meningkatkan bilangan elektron bebas dalam struktur SIC.Ini mewujudkan bahan negatif, atau "N-jenis,".

Elektron bebas ini sangat meningkatkan kekonduksian elektrik SIC.Dalam n-jenis sic, elektron boleh bergerak lebih mudah berbanding dengan sic tulen, di mana pergerakan mereka terhad.Pergerakan elektron yang lebih baik ini menjadikan N-jenis sic sesuai untuk elektronik kuasa dan peranti frekuensi tinggi di mana aliran elektron yang cepat dan cekap.Walaupun N-jenis sic mempunyai kekonduksian yang lebih baik, ia tidak menjalankan elektrik serta logam, mengekalkan sifat separa konduktifnya.Baki ini membolehkan kawalan aliran elektron yang tepat dalam pelbagai peranti elektronik.

Karbida silikon p-jenis (sic)

P-Type Silicon Carbide (SIC) berfungsi secara berbeza dari versi N-jenisnya.Doping P-jenis melibatkan menambahkan unsur-unsur seperti boron atau aluminium, yang mempunyai elektron valensi yang lebih sedikit daripada silikon.Ini mewujudkan "lubang" atau ruang di mana elektron hilang, memberikan bahan caj positif dan menjadikannya "p-jenis."Lubang -lubang ini membantu membawa arus elektrik dengan membenarkan caj positif bergerak.

Mengapa silikon karbida (sic) lebih disukai?

Rajah 8: Bahan semikonduktor

Jadual di bawah memberikan perbandingan terperinci empat bahan semikonduktor: silikon (SI), gallium nitride (GaN), germanium (GE), dan silikon karbida (SIC).Perbandingan ini dianjurkan ke dalam kategori yang berbeza.

Aspek	Silikon (SI)	Gallium Nitride (GAN)	Germanium (Ge)	Silikon Karbida (sic)
Sifat elektrik	Proses matang, bandgap 1.1 eV, terhad dalam kuasa tinggi/kekerapan	Mobiliti Elektron Tinggi, 3.4 EV Bandgap, aplikasi kuasa tinggi/kekerapan	Pergerakan elektron tinggi, 0.66 EV bandgap, tinggi kebocoran	Bandgap lebar sebanyak 3.2 eV, cekap tinggi voltan/temps, kebocoran rendah
Sifat terma	Kekonduksian terma sederhana, boleh mengehadkan Penggunaan kuasa tinggi	Lebih baik daripada silikon tetapi memerlukan maju penyejukan	Kekonduksian terma yang lebih rendah daripada silikon	Kekonduksian terma yang tinggi, haba yang berkesan pelesapan
Sifat mekanikal	Rapuh, mencukupi untuk kebanyakan kegunaan	Rapuh, terdedah kepada retak pada tidak sesuai substrat	Lebih rapuh daripada silikon	Keras, kuat, sesuai untuk ketahanan tinggi aplikasi
Penggunaan pasaran	Dominan kerana infrastruktur yang ditubuhkan dan kos rendah	Popular di telekom dan pertahanan, terhad oleh kos tinggi	Terhad kerana sifat kurang baik	Ketumpatan kuasa tinggi, operasi temp tinggi, kecekapan, ketahanan, pengurangan kos berterusan

Membuat karbida silikon (sic)

Untuk membuat karbida silikon, anda biasanya memanaskan pasir silika dan barangan kaya karbon seperti arang batu hingga hampir 2500 darjah Celsius.Ini memberi anda karbida silikon yang lebih gelap dengan beberapa kekotoran besi dan karbon.Karbida silikon boleh disintesis melalui empat kaedah utama, masing -masing dengan manfaat yang berbeza yang disesuaikan untuk kegunaan tertentu.Kaedah ini termasuk:

Reaksi Silicon Carbide (RBSC)

Karbida silikon terikat reaksi (RBSC) dibuat dari campuran campuran silikon karbida dan karbon.Campuran dipanaskan ke suhu tinggi dan terdedah kepada silikon cecair atau wap.Silikon dan karbon bertindak balas untuk membentuk lebih banyak karbida silikon, dan silikon mengisi sebarang liang sisa.Seperti silikon nitrida terikat reaksi (RBSN), RBSC berubah bentuk sangat sedikit semasa sintering.Apabila produk ini sampai ke titik lebur silikon, mereka tetap hampir sama kuat seperti sebelumnya.RBSC popular dalam industri seramik kerana ia adalah kos efektif dan boleh dibentuk menjadi reka bentuk yang kompleks.

Rajah 9: Karbida silikon terikat tindak balas

Prosedur Silicon Carbide (RBSC) yang terikat reaksi:

Campurkan zarah karbida silikon kasar dengan silikon dan plastik.Campurkan sehingga campuran seragam dicapai;

Mesin campuran ke dalam bentuk dan bentuk yang dikehendaki.Memastikan ketepatan dalam geometri untuk memadankan spesifikasi akhir;

Letakkan kepingan berbentuk dalam relau suhu tinggi.Panas ke suhu yang menyebabkan tindak balas antara zarah silikon dan silikon karbida;

Silikon bertindak balas dengan karbida silikon, ikatan ke matriks dan meningkatkan kekuatan dan ketahanan;

Benarkan kepingan untuk menyejukkan secara beransur -ansur ke suhu bilik;

Menggilap kepingan yang disejukkan untuk memenuhi spesifikasi yang tepat dan meningkatkan kemasan permukaan.

Proses Lely yang diubahsuai

Rajah 10: Proses Lely yang diubahsuai

Dicipta pada tahun 1978 oleh Tairov dan Tsvetkov, kaedah ini juga dipanggil kaedah yang diubah suai.Proses Lely yang diubahsuai meningkatkan sintesis kristal karbida silikon.Ia melibatkan pemanasan dan kemudian menyejukkan serbuk sic dalam bekas separa tertutup, yang membolehkannya membentuk kristal pada benih yang disimpan pada suhu yang sedikit lebih sejuk.

Prosedur Proses Lely yang diubahsuai:

Campurkan silikon dan serbuk karbon dengan teliti.Letakkan campuran dalam grafit grafit;

Letakkan Crucible dalam relau.Haba hingga kira -kira 2000 ° C dalam persekitaran gas vakum atau lengai untuk mencegah pengoksidaan;

Campuran campuran karbida silikon, berubah dari pepejal ke gas.

Silicon Carbide Wap Deposit ke rod grafit yang berpusat di pusat.Kristal tunggal SIC yang tinggi membentuk pada batang.

Berhati -hati menyejukkan sistem ke suhu bilik.

Ekstrak kristal silikon karbida silikon tinggi dari rod grafit untuk digunakan dalam aplikasi berteknologi tinggi.

Pemendapan Wap Kimia (CVD)

Rajah 11: Pemendapan wap kimia (CVD)

Sebatian silane reaktif, hidrogen, dan nitrogen digunakan dalam kaedah pemendapan wap kimia (CVD) untuk menghasilkan karbida silikon (sic) pada suhu antara 1073 dan 1473 K. dengan mengubah tetapan tindak balas kimia, solek dan kekerasan deposit bolehdikawal.Dalam proses CVD untuk silikon karbida, hidrogen dan methyltrichlorosilane (MTS) yang rosak dan pecah dicampur pada permukaan pada suhu tinggi dan tekanan rendah untuk menghasilkan lapisan terkawal karbida silikon padat.

Prosedur pemendapan wap kimia (CVD):

Sediakan silikon tetrachloride (SICL4) dan metana (CH4) sebagai sumber kimia utama;

Letakkan silikon tetrachloride dan metana ke dalam reaktor suhu tinggi;

Panaskan reaktor ke suhu yang diperlukan untuk memulakan tindak balas kimia;

Persekitaran suhu tinggi menyebabkan tindak balas antara silikon tetrachloride dan metana.Reaksi ini membentuk karbida silikon (sic);

Bentuk dan deposit karbida silikon ke substrat yang dikehendaki dalam reaktor;

Benarkan reaktor dan kandungannya menyejukkan secara beransur -ansur;

Ekstrak substrat atau komponen bersalut.Mengendalikan sebarang proses penamat untuk memenuhi spesifikasi akhir.

Proses Acheson

Rajah 12: Proses Acheson

Cara yang paling biasa untuk membuat SIC adalah kaedah Acheson.Edward Goodrich Acheson mencipta proses ini pada tahun 1893 untuk menghasilkan SIC dan grafit.Banyak tumbuhan karbida silikon telah menggunakan kaedah ini sejak itu.

Prosedur Proses Acheson:

Campurkan pasir silika dengan Coke dengan teliti;

Susun campuran di sekitar batang grafit pusat dalam relau rintangan elektrik;

Panaskan relau hingga hampir 2500 ° C.Mengekalkan suhu untuk memacu tindak balas kimia;

Panas yang sengit menyebabkan silika dan karbon bertindak balas, membentuk karbida silikon;

Benarkan relau untuk menyejukkan secara beransur -ansur;

Ekstrak karbida silikon yang terbentuk dari relau;

Proses selanjutnya karbida silikon apabila diperlukan.

Jadual ini menyediakan perbandingan mudah empat kaedah yang digunakan untuk menghasilkan karbida silikon (sic).Ia bertujuan untuk membantu memahami kelebihan unik dan penggunaan terbaik setiap teknik pengeluaran.

Kaedah	Kelebihan	Terbaik Penggunaan
Reaksi Silicon Carbide (RBSC)	Menjadikan bahagian yang kuat dan tahan lama Bagus untuk bentuk yang kompleks Sedikit ubah bentuk	Penyaduran perisai, muncung berprestasi tinggi
Proses Lely yang diubahsuai	Kristal yang sangat tulen Struktur yang sempurna Kawalan yang lebih baik ke atas proses	Semikonduktor, pengkomputeran kuantum
Pemendapan Wap Kimia (CVD)	Malah komposisi Kesucian tinggi Boleh menggunakan bahan yang berbeza	Salutan tahan haus, tahan kakisan Coatings, industri semikonduktor
Proses Acheson	Kos sederhana dan rendah Boleh menghasilkan sejumlah besar Kristal yang konsisten dan berkualiti tinggi	Abrasives, bahan refraktori

Karbida silikon (sic) dalam aplikasi moden

Dalam industri automotif, terutamanya untuk kenderaan elektrik, SIC meningkatkan prestasi penyongsang dan menjadikan sistem pengurusan bateri lebih kecil, memanjangkan julat kenderaan dan kos pemotongan.Goldman Sachs menganggarkan penambahbaikan ini dapat menjimatkan kira -kira $ 2,000 setiap kenderaan.

Rajah 13: brek cakera karbida silikon

Dalam kuasa solar, SIC meningkatkan kecekapan inverter, yang membolehkan kelajuan penukaran yang lebih tinggi, yang mengurangkan saiz dan kos litar.Ketahanan dan prestasi yang stabil menjadikannya lebih baik daripada bahan seperti Gallium Nitride untuk aplikasi solar.

Rajah 14: Sic untuk sistem tenaga solar

Dalam telekomunikasi, pengurusan terma yang sangat baik membolehkan peranti mengendalikan kepadatan kuasa yang lebih tinggi, meningkatkan prestasi di stesen asas selular dan menyokong pelancaran 5G.Kemajuan ini memenuhi keperluan untuk prestasi dan kecekapan tenaga yang lebih baik dalam komunikasi tanpa wayar gen seterusnya.

Rajah 15: Karbida silikon semikonduktor generasi ketiga

Dalam tetapan perindustrian, SIC menahan persekitaran yang keras dan voltan tinggi, yang membolehkan reka bentuk yang diselaraskan dengan kurang penyejukan, kecekapan yang lebih tinggi, dan kos yang lebih rendah, meningkatkan prestasi sistem.

Rajah16: Membuat keluli dengan karbida silikon

Dalam pertahanan dan aeroangkasa, SIC digunakan dalam sistem radar, kenderaan angkasa, dan elektronik pesawat.Komponen SIC lebih ringan dan lebih cekap daripada silikon, terbaik untuk misi angkasa di mana mengurangkan kos pemotongan berat.

Rajah 17: Pengeluaran dan aplikasi SIC akhir-ke-akhir

Kesimpulan

Silicon Carbide (SIC) menjadi bahan untuk banyak aplikasi tinggi kerana sifat-sifatnya yang sangat baik dan teknik pengeluaran yang lebih baik.Dengan bandgapnya yang luas, kekonduksian terma yang hebat, dan sifat mekanikal yang kuat, SIC sangat sesuai untuk persekitaran yang sukar yang memerlukan daya tahan dan rintangan haba yang tinggi.Pemandangan terperinci artikel mengenai kaedah pengeluaran SIC menunjukkan bagaimana kemajuan dalam sains bahan membolehkan penyesuaian sifat SIC untuk memenuhi keperluan perindustrian tertentu.Apabila industri bergerak ke arah peranti yang lebih cekap dan padat, SIC memainkan peranan dalam teknologi automotif, tenaga solar, telekomunikasi, dan aeroangkasa.Penyelidikan yang berterusan untuk mengurangkan kos dan meningkatkan kualiti SIC dijangka meningkatkan kehadiran pasarannya, memperkuat peranan pentingnya dalam masa depan bahan semikonduktor dan aplikasi berprestasi tinggi.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Siapa yang menggunakan karbida silikon?

Silicon Carbide digunakan oleh industri dan profesional yang bekerja di elektronik, automotif, aeroangkasa, dan pembuatan.Jurutera dan juruteknik bergantung kepadanya untuk ketahanan dan kecekapannya dalam persekitaran tekanan tinggi.

2. Apakah yang digunakan oleh semikonduktor karbida silikon?

Semikonduktor karbida silikon digunakan untuk aplikasi suhu tinggi dan suhu tinggi.Ia digunakan dalam peranti kuasa untuk kenderaan elektrik untuk menguruskan kuasa dengan cekap, dan dalam diod dan transistor yang terdapat dalam teknologi tenaga boleh diperbaharui dan aplikasi kuasa tinggi seperti sistem keretapi.

3. Apakah aplikasi silikon karbida sic?

Aplikasi silikon karbida (sic) termasuk:

Elektronik kuasa: Penukaran dan pengurusan kuasa yang cekap.

Kenderaan elektrik: peningkatan prestasi dan julat.

Inverter solar: Peningkatan output tenaga dan kebolehpercayaan.

Aeroangkasa: Komponen suhu tinggi dan tekanan tinggi.

Peralatan Perindustrian: Bahagian yang kuat dan tahan lama.

4. Produk apa yang dibuat dari silikon karbida?

Produk yang diperbuat daripada pelbagai karbida silikon dari semikonduktor dan peranti elektronik ke abrasif, alat pemotong, dan unsur pemanasan.Ia juga digunakan dalam perisai dan peralatan perlindungan kerana kekerasan dan rintangan terma.

5. Di manakah karbida silikon dihasilkan?

Silicon Carbide dihasilkan di kemudahan khusus, terutamanya di Amerika Syarikat, China, dan Eropah.Syarikat-syarikat mengendalikan relau suhu tinggi untuk mensintesis SIC dari bahan mentah seperti pasir kuarza dan coke petroleum.

6. Apakah perbezaan antara silikon dan silikon karbida?

Perbezaan antara silikon dan silikon karbida terletak pada sifat dan aplikasi mereka.Silicon adalah elemen tulen yang digunakan dalam peranti semikonduktor standard dan panel solar, manakala silikon karbida adalah sebatian yang dikenali dengan kekerasannya, kekonduksian terma yang tinggi, dan keupayaan untuk beroperasi pada voltan dan suhu yang lebih tinggi.Ini menjadikan SIC ideal untuk aplikasi suhu tinggi dan suhu tinggi, di mana silikon akan gagal.