Pilarbidi paljastettiin: Ominaisuudet, menetelmät ja sovellukset

Tässä artikkelissa tutkitaan SIC: n ainutlaatuisia ominaisuuksia, mukaan lukien sen rakenne, lämmönkestävyys, kemiallinen stabiilisuus ja mekaaninen lujuus, jotka tekevät siitä paremman kuin perinteiset materiaalit, kuten pii, galliumnitridi ja germanium.Se tutkii myös erilaisia ​​tapoja, kuten SIC, kuten Acheson -prosessi, kemiallinen höyryn laskeutuminen ja modifioitu LYY -prosessi ja kuinka nämä menetelmät parantavat sen puhtautta ja suorituskykyä teollisiin tarkoituksiin.Artikkelissa verrataan myös SiC: n sähköisiä, lämpö- ja mekaanisia ominaisuuksia muiden puolijohteiden kanssa, mikä korostaa sen kasvavaa käyttöä markkinoilla, jotka tarvitsevat suuria tehon tiheyttä, lämpötehokkuutta ja kestävyyttä.

Luettelo

Kuva 1: Lähikuva naisen kädestä, jolla on piikarbidi (sic) kristalli (alias Carborundum tai moissaniitti)

Piharbidi (sic) ominaisuudet

Kuva 2: Piharbidi Petri -ruokalajissa

Yleisin piiharbidimuoto on alfa-piikarbidi (a-sic).Se muodostuu lämpötiloissa yli 1 700 ° C ja siinä on kuusikulmainen kidekasva, kuten wurtzite.Kun lämpötila on alle 1 700 ° C, tuotetaan beeta-piikarbidia (β-SIC).Tällä versiolla on kiderakenne, joka on samanlainen kuin timantin.

Kuvio 3: Alfa-piikarbidi (a-sic)

Kuvio 4: Beeta-piikarbidi (β-SIC)

Kuva 5: MOHS -kovuusasteikko

Piharbidi on yksi vaikeimmista materiaaleista timantin jälkeen, ja mohs -kovuus on noin 9–9,5. Sen kovuus voi vaihdella sen muodon ja puhtauden perusteella, mutta se on yleensä erittäin korkea, usein välillä 2 480 - 3000 kg/mm².

Piharbidi kestää erittäin korkeaa painetta, usein yli 3000 MPa, taivutuslujuus, yleensä välillä 400 - 500 MPa, ja sillä on hyvä vetovoima, välillä 250 - 410 MPa.

Kovuus Testausmenetelmät	Testata Arvoalue	Erityinen Arvot (musta piikarbidi)	Erityinen Arvot (vihreä piikarbidi)
Brinell -kovuus	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers -kovuus	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwellin kovuus	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohsin kovuus	9-9,5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic johtaa lämpöä hyvin, lämpöä johtavuus noin 120 W/Mk, mikä tekee siitä hienon lämmön hallinta elektroniikassa.20 ° C: ssa se johtaa lämpöä noin 0,41 wattia senttimetriä kohti celsiusastetta (w/cm ° C).Mutta kun lämpötila nousee 1000 ° C, sen lämmönjohtavuus putoaa noin 0,21 W/cm ° C: seen.

Lisäksi useimmat metallit, metallioksidisulat ja alkaliset sulanut vaikuttavat nopeasti piikarbidiin (sic), mutta se ei liukene happoihin tai emäksiin.Teknisen piikarbidin epäpuhtauksiin kuuluvat yleensä vapaa hiili (C) ja piidioksidi (SiO2), pienillä määrillä piitä (SI), rautaa (Fe), alumiinia (AL) ja kalsiumia (CA).SiC: n molekyylipaino on 40,096.Puhdas sic on valmistettu 70,05% piistä (SI) ja 29,95% hiilestä (C).

Kuva 6: Piharbidi (sic) kemiallinen rakenne

Kuvio 7: Piharbidi (sic) kemiallinen rakenne

N-tyypin ja P-tyypin piikarbidin (sic) ominaisuudet (sic)

N-tyypin piikarbidi (sic)

Piharbidi (sic) on kova materiaali, jota käytetään korkean stressisovelluksissa, koska se käsittelee lämpöä hyvin ja on erittäin vahva.N-tyyppisen sic: n tekemiseksi lisätään epäpuhtauksia, prosessia, jota kutsutaan dopingiksi, joka muuttaa sen sähköisiä ominaisuuksia.Elementtejä, kuten typpeä tai fosforia, joilla on enemmän valenssielektroneja kuin piitä, lisätään SIC -rakenteen vapaiden elektronien määrän lisäämiseksi.Tämä luo negatiivisesti varautuneen tai "N-tyypin" materiaalin.

Nämä vapaat elektronit parantavat huomattavasti SIC: n sähkönjohtavuutta.N-tyyppisessä sic: ssä elektronit voivat liikkua helpommin Pure SIC: hen verrattuna, missä niiden liike on rajoitettu.Tämä parempi elektroniliike tekee N-tyyppisistä sicistä ihanteellisen tehoelektroniikan ja korkeataajuisille laitteille, joissa nopea ja tehokas elektronivirtaus.Vaikka N-tyypin SIC: llä on parempi johtavuus, se ei johda sähköä kuin metalleja, pitäen puoliksi johtavia ominaisuuksiaan.Tämä tasapaino mahdollistaa elektronivirran tarkan ohjauksen erilaisissa elektronisissa laitteissa.

P-tyypin piikarbidi (sic)

P-tyypin piikarbidi (sic) toimii eri tavalla kuin N-tyypin versio.P-tyyppinen seostus sisältää elementtien, kuten boorin tai alumiinin, lisäämisen, joissa on vähemmän valenssielektroneja kuin pii.Tämä luo "reikiä" tai tiloja, joissa elektronit puuttuvat, mikä antaa materiaalille positiivisen varauksen ja tekee siitä "P-tyypin".Nämä reiät auttavat kuljettamaan sähkövirtaa antamalla positiiviset varaukset liikkua.

Miksi piikarbidi (sic) parempana?

Kuva 8: Puolijohdemateriaalit

Alla olevassa taulukossa on yksityiskohtainen vertailu neljästä puolijohdemateriaalista: pii (SI), galliumnitridi (GAN), germanium (GE) ja piikarbidi (sic).Vertailu on jaettu eri luokkiin.

Näkökohta	Pii (Si)	Gallium Nitride (Gan)	Germanium (GE)	Pii Karbidi (sic)
Sähköominaisuudet	Kypsät prosessit, kaistanlevy 1,1 eV, rajoitettu suuritehoisella/taajuudella	Korkea elektronien liikkuvuus, 3,4 eV kaistalevy, suuritehoiset/taajuussovellukset	Korkea elektronien liikkuvuus, 0,66 eV kaistanlevy, korkea vuoto	Leveä kaistalevy 3,2 eV, tehokas korkealla Jännitteet/lämpötilat, matala vuoto
Lämpöominaisuudet	Kohtalainen lämmönjohtavuus, voi rajoittaa suuritehoiset käytöt	Parempi kuin pii, mutta vaatii edistynyttä jäähdytys	Alhaisempi lämmönjohtavuus kuin pii	Korkea lämmönjohtavuus, tehokas lämpö häviö
Mekaaniset ominaisuudet	Hauras, riittävä useimpiin käyttötarkoituksiin	Hauras, alttiina halkeiluun sopimaton substraatit	Hauraampi kuin pii	Kova, vahva, sopiva kestävyyteen sovellukset
Markkinoiden käyttöönotto	Hallitseva vakiintuneen infrastruktuurin takia ja alhaiset kustannukset	Suosittu televiestinnässä ja puolustuksessa, rajoitettu korkeat kustannukset	Rajoitettu vähemmän suotuisampien ominaisuuksien vuoksi	Suuritehoiden tiheys, korkea lämpötila, Tehokkuus, kestävyys, jatkuva kustannusvähennys

Piekarbidin (sic) valmistus

Piikarbidin valmistamiseksi lämmität yleensä piidioksidihiekkaa ja hiilirikkaita tavaroita, kuten hiiltä lähes 2500 celsiusastetta.Tämä antaa sinulle tummemman piin karbidin, jolla on joitain rauta- ja hiilihuoneita.Piharbidi voidaan syntetisoida neljällä päämenetelmällä, jokaisella on selkeät edut, jotka on räätälöity tietyille käyttötarkoituksille.Nämä menetelmät sisältävät:

Reaktion sitoutunut piiharbidi (RBSC)

Reaktio-sitoutunut piiharbidi (RBSC) on valmistettu hienosti sekoitettua sekoitusta piidarbidia ja hiiltä.Seos kuumennetaan korkeaan lämpötilaan ja altistetaan nestemäiselle tai höyryn piille.Pii ja hiili reagoivat muodostamaan enemmän piiharbidia, ja pii täyttää kaikki jäljellä olevat huokoset.Kuten reaktiosta sitoutunut piinitridi (RBSN), RBSC muuttaa muodon hyvin vähän sintrauksen aikana.Kun nämä tuotteet pääsevät piin sulamispisteeseen, ne pysyvät melkein yhtä vahvoina kuin ennen.RBSC on suosittu keraamisessa teollisuudessa, koska se on kustannustehokas ja se voidaan muotoilla monimutkaisiksi malleiksi.

Kuvio 9: Reaktiosidottu piikarbidi

Reaktion sitoutunut piikarbidi (RBSC) -menettely:

Yhdistä karkeat piikarbidihiukkaset pii- ja pehmittimien kanssa.Sekoita, kunnes saavutetaan tasainen sekoitus;

Koneta seos haluttuihin muotoihin ja muotoihin.Varmista geometrian tarkkuus vastaamaan lopullisia eritelmiä;

Aseta muotoiset palat korkean lämpötilan uuniin.Lämmitä lämpötilaan, joka aiheuttaa reaktion pii- ja piikarbidihiukkasten välillä;

Pii reagoi piikarbidin kanssa, sitoutuminen matriisiin ja lisää lujuutta ja kestävyyttä;

Anna palojen jäähtyä vähitellen huoneenlämpötilaan;

Palata jäähdytetyt palat täydentämään tarkkoja eritelmiä ja parantamaan pinnan viimeistelyä.

Muokattu Lely -prosessi

Kuva 10: Modifioitu Lely -prosessi

Tairov ja Tsvetkov ovat luoneet vuonna 1978, menetelmää kutsutaan myös modifioituksi eli-menetelmään.Modifioitu Lely -prosessi parantaa piikarbidikiteiden synteesiä.SIC-jauheen lämmittäminen ja jäähdyttäminen sitten puoliksi suljetussa astiassa, jolloin se voi muodostaa kiteitä siemenelle, jota pidetään hieman viileämmässä lämpötilassa.

Muokattu Lely -prosessimenetelmä:

Sekoita pii- ja hiilijauheet perusteellisesti.Aseta seos grafiittipotilaan;

Aseta upokas uuniin.Kuumenna noin 2000 ° C: seen tyhjiössä tai inertissä kaasuympäristössä hapettumisen estämiseksi;

Piharbidiseos sublimoi, vaihtaen kiinteästä kaasusta.

Piharbidihöyryt kerrostuvat keskitetysti sijoitetulle grafiittia sauvalle.Pohjainen SIC-yhdestä kiteestä muodostuu sauvaan.

Jäähdytä järjestelmä varovasti huoneenlämpötilaan.

Uuteta korkean teknologian sovellusten grafiittiangosta korkeapuhtaita piikarbidikiteitä.

Kemiallinen höyryn laskeuma (CVD)

Kuvio 11: Kemiallinen höyryn laskeuma (CVD)

Reaktiivista silaaniyhdistettä, vetyä ja typpeä käytettiin kemiallisen höyryn laskeutumismenetelmässä (CVD) piiharbidin (sic) tuottamiseksi lämpötiloissa välillä 1073 - 1473 K. Muutamalla kemiallinen reaktio -asetukset, muodostuminen ja kovuuden kovuus voivathallita.CVD-prosessissa piidikarbidin, vedyn ja hajotetun metyylitriklorosilaanin (MTS) (MTS) sekoitetaan pinnalle korkeassa lämpötilassa ja matalapaineessa, jotta saadaan tiheän piikarbidikerroksen säädetty kerros.

Kemiallinen höyryn laskeuma (CVD) -menettely:

Valmistele piin tetrakloridi (sicl4) ja metaani (CH4) primaarisiksi kemiallisiksi lähteinä;

Aseta piin tetrakloridi ja metaani korkean lämpötilan reaktoriin;

Kuumenna reaktori vaadittuun lämpötilaan kemiallisten reaktioiden käynnistämiseksi;

Korkean lämpötilan ympäristö aiheuttaa reaktioita piin tetrakloridin ja metaanin välillä.Nämä reaktiot muodostavat piikarbidin (sic);

Piharbidi muodostaa ja kerrostuu haluttuihin substraateihin reaktorin sisällä;

Anna reaktorin ja sen sisällön jäähtyä vähitellen;

Poista päällystetyt substraatit tai komponentit.Suorita viimeistelyprosessit lopullisten eritelmien täyttämiseksi.

Acheson -prosessi

Kuva 12: Acheson -prosessi

Yleisin tapa tehdä sic on Acheson -menetelmä.Edward Goodrich Acheson loi tämän prosessin vuonna 1893 tuottamaan sic ja grafiitti.Monet piikarbidikasvit ovat käyttäneet tätä menetelmää siitä lähtien.

Acheson -prosessimenetelmä:

Sekoita piidioksidihiekkaa koksin kanssa huolellisesti;

Järjestä seos keskusgrafiittitangon ympärille sähkövastusuunissa;

Kuumenna uuni lähes 2500 ° C: seen.Pidä lämpötila kemiallisen reaktion ajamiseksi;

Intensiivinen lämpö aiheuttaa piidioksidin ja hiilen reagoinnin muodostaen piikarbidin;

Anna uunin jäähtyä vähitellen;

Uuteta muodostettu piiharbidi uunista;

Prosessoi edelleen piiharbidia aina kun vaaditaan.

Tämä taulukko tarjoaa yksinkertaistetun vertailun neljästä menetelmästä, joita käytetään piikarbidin (SIC) tuottamiseen.Sen tavoitteena on ymmärtää kunkin tuotantotekniikan ainutlaatuiset edut ja parhaat käytöt.

Menetelmä	Edut	Parhaat Käyttötarkoitukset
Reaktion sitoutunut piiharbidi (RBSC)	Tekee vahvoista, kestävistä osista Hyvä monimutkaisille muodoille Vähän muodonmuutoksia	Panssarit, korkean suorituskyvyn suuttimet
Muokattu Lely -prosessi	Erittäin puhtaat kiteet Täydellinen rakenne Prosessin parempi hallinta	Puolijohteet, kvanttilaskenta
Kemiallinen höyryn laskeuma (CVD)	Jopa koostumus Puhtaus Voi käyttää erilaisia ​​materiaaleja	Kulutuskeskeiset pinnoitteet, korroosiokestävä Pinnoitteet, puolijohdeteollisuus
Acheson -prosessi	Yksinkertainen ja alhainen kustannus Voi tuottaa suuria määriä Johdonmukaiset, korkealaatuiset kiteet	Hionta, tulenkestävät materiaalit

Piharbidi (sic) nykyaikaisissa sovelluksissa

Autoteollisuudessa, etenkin sähköajoneuvoissa, SIC parantaa vaihtosuuntaajan suorituskykyä ja tekee akkujen hallintajärjestelmistä pienempiä, laajentaen ajoneuvoa ja leikkauskustannuksia.Goldman Sachs arvioi, että nämä parannukset voisivat säästää noin 2000 dollaria ajoneuvoa kohti.

Kuva 13: Piharbidilevyjarru

Aurinkoenergiassa SIC lisää invertteritehokkuutta, mikä mahdollistaa korkeammat kytkentänopeudet, mikä vähentää piirin kokoa ja kustannuksia.Sen kestävyys ja vakaa suorituskyky tekevät siitä paremman kuin materiaalit, kuten galliumnitridi aurinkosovelluksiin.

Kuva 14: SIC aurinkoenergiajärjestelmille

Televiestinnässä SIC Erinomainen lämpöhallinta antaa laitteille mahdollisuuden käsitellä korkeampia tehotiheyksiä, parantaa suorituskykyä solujen tukiasemilla ja tukee 5G -käyttöönottoa.Nämä edistykset vastaavat paremman suorituskyvyn ja energiatehokkuuden tarvetta seuraavan sukupolven langattomassa viestinnässä.

Kuva 15: Kolmannen sukupolven puolijohde-piikarbidi

Teollisuusasetuksissa sic kestää ankaria ympäristöjä ja suuria jännitteitä, mikä mahdollistaa virtaviivaiset mallit, joilla on vähemmän jäähdytys, korkeampi tehokkuus ja alhaisemmat kustannukset, parantaen järjestelmän suorituskykyä.

Kuvio16: Teräksen valmistus piikarbidilla

Puolustus- ja ilmailu- ja ilmailu-SIC -komponentit ovat kevyempiä ja tehokkaampia kuin pii, parhaiten avaruusmatkoille, joissa painon alenemisen vähentäminen kustannusten vähentäminen.

Kuva 17: Pääsypäinen sic-tuotanto ja sovellukset

Johtopäätös

Piharbidi (sic) on tulossa go-to-materiaaliksi monille korkean kysynnän sovelluksille sen erinomaisten ominaisuuksien ja parannettujen tuotantotekniikoiden vuoksi.Leveällä kaistalevyllä, suurella lämmönjohtavuudellaan ja vahvoilla mekaanisilla ominaisuuksilla SIC on ihanteellinen koville ympäristöille, jotka tarvitsevat suurta tehoa ja lämmönkestävyyttä.Artikkelin yksityiskohtainen katsaus SiC: n tuotantomenetelmiin osoittaa, kuinka materiaalitieteen edistys mahdollistaa sic -ominaisuuksien mukauttamisen vastaamaan erityisiä teollisia tarpeita.Teollisuuden siirtyessä kohti tehokkaampia ja kompakteja laitteita, SIC: llä on rooli auto-, aurinkoenergia-, televiestintä- ja ilmailu- ja ilmailuteollisuudessa.Jatkuvan tutkimuksen kustannusten vähentämiseksi ja sic-laadun parantamiseksi odotetaan lisäävän markkinoidensa läsnäoloa, mikä vahvistaa sen tärkeätä roolia puolijohdemateriaalien ja korkean suorituskyvyn sovellusten tulevaisuudessa.

Usein kysyttyjä kysymyksiä [UKK]

1. Kuka käyttää piikarbidia?

Piharbidia käyttävät elektroniikan, autojen, ilmailun ja valmistuksen ammattilaiset ja ammattilaiset.Insinöörit ja teknikot luottavat siihen kestävyytensä ja tehokkuuden vuoksi korkean stressin ympäristöissä.

2. Mihin piikarbidi -puolijohdetta käytetään?

Piharbidi-puolijohteita käytetään suuritehoisiin ja korkean lämpötilan sovelluksiin.Sitä käytetään sähköajoneuvojen voimalaitteissa tehokkaasti tehon hallitsemiseksi, ja diodeissa ja transistoreissa, joita löytyy uusiutuvista energiateknologioista ja suuritehoisista sovelluksista, kuten rautatiejärjestelmistä.

3. Mikä on piikarbidi -sic: n levitys?

Piharbidin (sic) sovellukset sisältävät:

Power Electronics: Tehokas tehon muuntaminen ja hallinta.

Sähköajoneuvot: Parannettu suorituskyky ja alue.

Aurinkovaihtosuuntaajat: Lisääntynyt energiantuotto ja luotettavuus.

Ilmailutila: Korkean lämpötilan ja korkean stressikomponentit.

Teollisuuslaitteet: Vahvat ja pitkäaikaiset osat.

4. Mitä tuotteita on valmistettu piikarbidista?

Piilarbidista valmistetut tuotteet vaihtelevat puolijohteista ja elektronisista laitteista hioma -aineisiin, leikkaustyökaluihin ja lämmityselementeihin.Sitä käytetään myös panssaroissa ja suojavarusteissa sen kovuuden ja lämpövastuksen vuoksi.

5. Missä piiharbidi tuotetaan?

Piharbidia tuotetaan erikoistuneissa tiloissa, pääasiassa Yhdysvalloissa, China ja Euroopassa.Yritykset käyttävät korkean lämpötilan uuneja SIC: n syntetisoimiseksi raaka-aineista, kuten kvartsihiekka ja öljykoksi.

6. Mitä eroa pii- ja piisarbidin välillä on?

Ero pii- ja piiparbidin välillä on niiden ominaisuudet ja sovellukset.Pii on puhdas elementti, jota käytetään tavanomaisissa puolijohdelaitteissa ja aurinkopaneeleissa, kun taas piikarbidi on yhdiste, joka tunnetaan sen kovuudesta, korkeasta lämmönjohtavuudesta ja kyvystä toimia suuremmilla jännitteillä ja lämpötiloissa.Tämä tekee SIC: stä ihanteellisen suuritehoisiin ja korkean lämpötilan sovelluksiin, joissa pii epäonnistuu.