Unveiled ng Silicon Carbide: Mga Katangian, Pamamaraan at Aplikasyon

Ang artikulong ito ay galugarin ang mga natatanging katangian ng SIC, kabilang ang istraktura nito, paglaban sa init, katatagan ng kemikal, at lakas ng mekanikal, na ginagawang mas mahusay kaysa sa tradisyonal na mga materyales tulad ng silikon, gallium nitride, at germanium.Tinitingnan din nito ang iba't ibang mga paraan na ginawa ng SIC tulad ng proseso ng acheson, pag -aalis ng singaw ng kemikal, at ang binagong proseso ng lely at kung paano mapapabuti ng mga pamamaraan na ito ang kadalisayan at pagganap para sa mga pang -industriya na layunin.Inihahambing din ng artikulo ang mga de -koryenteng, thermal, at mekanikal na mga katangian ng SIC kasama ang iba pang mga semiconductors, na itinatampok ang pagtaas ng paggamit nito sa mga merkado na nangangailangan ng mataas na density ng kuryente, kahusayan ng thermal, at tibay.

Catalog

Larawan 1: Ang isang closeup ng kamay ng isang babae na may hawak na isang silikon na karbida (sic) crystal (aka carborundum o moissanite)

Mga katangian ng Silicon Carbide (SIC)

Larawan 2: Silicon Carbide sa Petri Dish

Ang pinaka-karaniwang anyo ng silikon na karbida ay alpha silikon carbide (α-SiC).Bumubuo ito sa mga temperatura na higit sa 1,700 ° C at may isang hexagonal na kristal na hugis tulad ng wurtzite.Kapag ang temperatura ay nasa ibaba ng 1,700 ° C, ang beta silikon na karbida (β-SiC) ay ginawa.Ang bersyon na ito ay may istraktura ng kristal na katulad ng sa isang brilyante.

Larawan 3: Alpha Silicon Carbide (α-SiC)

Larawan 4: Beta silikon carbide (β-SiC)

Larawan 5: Ang scale ng katigasan ng MOHS

Ang Silicon Carbide ay isa sa mga pinakamahirap na materyales pagkatapos ng brilyante, na may katigasan ng Mohs na mga 9 hanggang 9.5. Ang katigasan ng Knoop nito ay maaaring mag -iba batay sa anyo at kadalisayan nito, ngunit sa pangkalahatan ay napakataas, madalas sa pagitan ng 2,480 at 3,000 kg/mm².

Ang Silicon Carbide ay maaaring makatiis ng napakataas na presyon, madalas na higit sa 3,000 MPa, ay may mataas na lakas ng baluktot, karaniwang sa pagitan ng 400 at 500 MPa, at may mahusay na lakas ng paghila, sa pagitan ng 250 at 410 MPa.

Tigas Mga Paraan ng Pagsubok	Pagsubok Saklaw ng halaga	Tiyak Mga halaga (itim na silikon na karbida)	Tiyak Mga halaga (Green Silicon Carbide)
Brinell Hardness	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers tigas	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 hv
Rockwell Hardness	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs tigas	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Ang sic ay nagsasagawa ng init nang maayos, na may thermal Pag -uugali ng halos 120 w/mk, na ginagawang mahusay para sa Pamamahala ng init sa electronics.Sa 20 ° C, nagsasagawa ito ng init sa halos 0.41 watts bawat sentimetro bawat degree celsius (w/cm ° C).Ngunit kapag ang temperatura ay umakyat sa 1000 ° C, ang pagpapadaloy ng init nito ay bumababa sa paligid ng 0.21 w/cm ° C.

Bukod dito, ang silikon na karbida (sic) ay mabilis na naapektuhan ng karamihan sa mga metal, natutunaw ang metal oxide, at natutunaw ang alkalina, ngunit hindi ito natunaw sa mga acid o base.Ang mga impurities sa teknikal na silikon na karbida ay karaniwang kasama ang libreng carbon (C) at silikon dioxide (SIO2), na may maliit na halaga ng silikon (SI), bakal (Fe), aluminyo (AL), at calcium (CA).Ang molekular na bigat ng SIC ay 40.096.Ang Pure SIC ay gawa sa 70.05% silikon (SI) at 29.95% carbon (C).

Larawan 6: Silicon carbide (sic) na istraktura ng kemikal

Larawan 7: Silicon carbide (sic) na istraktura ng kemikal

Mga katangian ng n-type at p-type na silikon carbide (sic)

N-type na silikon carbide (sic)

Ang Silicon Carbide (SIC) ay isang matigas na materyal na ginagamit sa mga application na may mataas na stress dahil maayos itong humahawak ng init at napakalakas.Upang makagawa ng n-type sic, idinagdag ang mga impurities, isang proseso na tinatawag na doping, na nagbabago sa mga de-koryenteng katangian nito.Ang mga elemento tulad ng nitrogen o posporus, na may higit na mga valence electron kaysa sa silikon, ay idinagdag upang madagdagan ang bilang ng mga libreng electron sa istruktura ng SIC.Lumilikha ito ng isang negatibong sisingilin, o "n-type," materyal.

Ang mga libreng electron na ito ay lubos na nagpapabuti sa elektrikal na kondaktibiti ng SIC.Sa n-type sic, ang mga electron ay maaaring ilipat nang mas madaling ihambing sa purong SIC, kung saan limitado ang kanilang paggalaw.Ang mas mahusay na paggalaw ng elektron ay ginagawang perpekto ang N-Type SIC para sa mga elektronikong elektroniko at mga aparato na may mataas na dalas kung saan mabilis at mahusay na daloy ng elektron.Habang ang N-Type SIC ay may mas mahusay na kondaktibiti, hindi ito nagsasagawa ng koryente pati na rin ang mga metal, pinapanatili ang mga semi-conductive na katangian nito.Ang balanse na ito ay nagbibigay -daan para sa tumpak na kontrol ng daloy ng elektron sa iba't ibang mga elektronikong aparato.

P-type silikon carbide (sic)

Ang P-Type Silicon Carbide (SIC) ay gumagana nang naiiba mula sa N-Type na bersyon.Ang P-type doping ay nagsasangkot ng pagdaragdag ng mga elemento tulad ng boron o aluminyo, na may mas kaunting mga electron ng valence kaysa sa silikon.Lumilikha ito ng "butas" o mga puwang kung saan nawawala ang mga electron, na nagbibigay ng positibong singil at ginagawa itong "p-type."Ang mga butas na ito ay tumutulong na magdala ng de -koryenteng kasalukuyang sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa mga positibong singil na lumipat.

Bakit ginusto ang silikon na karbida (sic)?

Larawan 8: Mga Materyales ng Semiconductor

Ang talahanayan sa ibaba ay nagbibigay ng isang detalyadong paghahambing ng apat na materyales na semiconductor: silikon (SI), gallium nitride (GaN), germanium (GE), at silikon na karbida (sic).Ang paghahambing ay isinaayos sa iba't ibang kategorya.

Aspeto	Silikon (SI)	Gallium Nitride (GaN)	Germanium (GE)	Silikon Karbida (sic)
Mga Katangian ng Elektriko	Mga proseso ng mature, bandgap na 1.1 eV, limitado sa mataas na lakas/dalas	Mataas na kadaliang kumilos ng elektron, 3.4 ev bandgap, Mga Application ng High-Power/Frequency	Mataas na kadaliang kumilos ng elektron, 0.66 eV bandgap, mataas Leakage	Malawak na bandgap na 3.2 eV, mahusay sa mataas Mga boltahe/temps, mababang pagtagas
Mga katangian ng thermal	Katamtamang thermal conductivity, maaaring limitahan Mga gamit na mataas na kapangyarihan	Mas mahusay kaysa sa silikon ngunit nangangailangan ng advanced Paglamig	Mas mababang thermal conductivity kaysa sa silikon	Mataas na thermal conductivity, epektibong init Dissipation
Mga katangian ng mekanikal	Malutong, sapat para sa karamihan ng mga gamit	Malaki, madaling kapitan ng pag -crack sa mismatched Mga Substrate	Mas malutong kaysa sa silikon	Mahirap, malakas, angkop para sa mataas na katumbas Mga Aplikasyon
Pag -aampon sa merkado	Nangingibabaw dahil sa itinatag na imprastraktura at mababang gastos	Sikat sa telecom at pagtatanggol, limitado ng mataas na gastos	Limitado dahil sa hindi gaanong kanais -nais na mga katangian	Mataas na density ng kuryente, mataas na operasyon ng temp, kahusayan, tibay, patuloy na pagbawas ng gastos

Paggawa ng Silicon Carbide (sic)

Upang makagawa ng silikon na karbida, karaniwang pinainit mo ang silica buhangin at mayaman na carbon tulad ng karbon hanggang sa halos 2500 degree Celsius.Nagbibigay ito sa iyo ng mas madidilim na silikon na karbida na may ilang mga impurities sa bakal at carbon.Ang silikon na karbida ay maaaring synthesized sa pamamagitan ng apat na pangunahing pamamaraan, ang bawat isa ay may natatanging mga benepisyo na pinasadya para sa mga partikular na gamit.Kasama sa mga pamamaraang ito:

Reaksyon na nakagapos ng silikon carbide (RBSC)

Ang reaksyon-bonded silikon carbide (RBSC) ay ginawa mula sa isang makinis na halo-halong timpla ng silikon na karbida at carbon.Ang pinaghalong ay pinainit sa isang mataas na temperatura at nakalantad sa likido o singaw na silikon.Ang reaksyon ng silikon at carbon upang makabuo ng mas maraming silikon na karbida, at pinupuno ng silikon ang anumang mga tira na pores.Tulad ng reaksyon-bonded silikon nitride (RBSN), ang RBSC ay nagbabago ng hugis ng napakaliit sa panahon ng pagsasala.Kapag ang mga produktong ito ay nakarating sa natutunaw na punto ng silikon, nananatili silang halos kasing lakas ng dati.Ang RBSC ay sikat sa industriya ng ceramic dahil ito ay epektibo at maaaring hugis sa mga kumplikadong disenyo.

Larawan 9: Ang reaksyon na naka -bonding na silikon na karbida

Reaksyon na naka -bonding silikon carbide (RBSC) Pamamaraan:

Pagsamahin ang magaspang na silikon na karbida na mga particle na may silikon at plasticizer.Paghaluin hanggang sa makamit ang isang unipormeng timpla;

Makina ang pinaghalong sa nais na mga hugis at form.Tiyakin ang katumpakan sa geometry upang tumugma sa pangwakas na mga pagtutukoy;

Ilagay ang mga hugis na piraso sa isang mataas na temperatura na hurno.Init sa isang temperatura na nagiging sanhi ng isang reaksyon sa pagitan ng mga silikon at silikon na mga partikulo ng karbida;

Ang silikon ay tumugon sa silikon na karbida, nagbubuklod sa matrix at pagtaas ng lakas at tibay;

Payagan ang mga piraso na palamig nang paunti -unti sa temperatura ng silid;

Polish ang mga pinalamig na piraso upang matugunan ang eksaktong mga pagtutukoy at mapahusay ang pagtatapos ng ibabaw.

Binagong proseso ng Lely

Larawan 10: Binagong proseso ng Lely

Nilikha noong 1978 nina Tairov at Tsvetkov, ang pamamaraan ay tinatawag ding Modified-Lely na pamamaraan.Ang binagong proseso ng lely ay nagpapabuti sa synthesis ng mga silikon na karbida.Ito ay nagsasangkot ng pag-init at pagkatapos ay paglamig ng isang sic powder sa isang semi-closed container, na pinapayagan itong bumuo ng mga kristal sa isang binhi na pinananatili sa isang bahagyang mas malamig na temperatura.

Binagong pamamaraan ng proseso ng lely:

Paghaluin ang silikon at pulbos ng carbon.Ilagay ang pinaghalong sa isang grapayt na crucible;

Ilagay ang crucible sa isang hurno.Init sa humigit -kumulang na 2000 ° C sa isang vacuum o inert gas na kapaligiran upang maiwasan ang oksihenasyon;

Ang silikon na halo ng karbida ay nagbubuhos, nagbabago mula sa isang solid hanggang sa isang gas.

Ang Silicon Carbide Vapors ay nagdeposito sa isang sentral na nakaposisyon na grapayt na baras.Ang mataas na kadalisayan sic solong kristal ay bumubuo sa baras.

Maingat na palamig ang system sa temperatura ng silid.

I-extract ang mataas na kadalisayan na mga kristal na karbida ng silikon mula sa grapayt na baras para magamit sa mga application na high-tech.

Chemical Vapor Deposition (CVD)

Larawan 11: Chemical Vapor Deposition (CVD)

Ang isang reaktibo na silane compound, hydrogen, at nitrogen ay ginamit sa isang pamamaraan ng pag -aalis ng singaw ng kemikal (CVD) upang makabuomakontrol.Sa proseso ng CVD para sa silikon na karbida, ang hydrogen at broken-down na methyltrichlorosilane (MTS) ay halo-halong sa isang ibabaw sa mataas na temperatura at mababang presyon upang lumikha ng isang kinokontrol na layer ng siksik na silikon na karbida.

Pamamaraan sa pag -aalis ng singaw ng kemikal (CVD):

Maghanda ng silikon tetrachloride (SICL4) at mitein (CH4) bilang pangunahing mapagkukunan ng kemikal;

Ilagay ang silikon tetrachloride at methane sa isang high-temperatura reaktor;

Init ang reaktor sa kinakailangang temperatura upang simulan ang mga reaksyon ng kemikal;

Ang kapaligiran ng mataas na temperatura ay nagdudulot ng mga reaksyon sa pagitan ng silikon tetrachloride at mitein.Ang mga reaksyon na ito ay bumubuo ng silikon na karbida (sic);

Ang mga form ng silikon na karbida at mga deposito sa nais na mga substrate sa loob ng reaktor;

Payagan ang reaktor at ang mga nilalaman nito na magpalamig nang paunti -unti;

I -extract ang pinahiran na mga substrate o sangkap.Magsagawa ng anumang mga proseso ng pagtatapos upang matugunan ang mga pangwakas na pagtutukoy.

Ang proseso ng acheson

Larawan 12: Ang proseso ng acheson

Ang pinaka -karaniwang paraan upang gawin ang SIC ay ang pamamaraan ng acheson.Lumikha si Edward Goodrich Acheson sa prosesong ito noong 1893 upang makabuo ng SIC at Graphite.Maraming mga halaman ng silikon na karbida ang gumagamit ng pamamaraang ito mula pa noon.

Ang pamamaraan ng proseso ng acheson:

Paghaluin ang silica buhangin na may coke nang lubusan;

Ayusin ang pinaghalong sa paligid ng isang gitnang grapayt na baras sa isang electric resist furnace;

Init ang hurno sa halos 2500 ° C.Panatilihin ang temperatura upang himukin ang reaksyon ng kemikal;

Ang matinding init ay nagiging sanhi ng reaksyon ng silica at carbon, na bumubuo ng silikon na karbida;

Payagan ang hurno na palamig nang paunti -unti;

I -extract ang nabuo na silikon na karbida mula sa hurno;

Karagdagang iproseso ang silikon na karbida kung kinakailangan.

Ang talahanayan na ito ay nagbibigay ng isang pinasimple na paghahambing ng apat na pamamaraan na ginamit upang makabuo ng silikon na karbida (sic).Nilalayon nitong makatulong na maunawaan ang mga natatanging pakinabang at pinakamahusay na paggamit ng bawat diskarte sa paggawa.

Paraan	Kalamangan	Pinakamahusay Gamit
Reaksyon na nakagapos ng silikon carbide (RBSC)	Gumagawa ng malakas, matibay na mga bahagi Mabuti para sa mga kumplikadong hugis Maliit na pagpapapangit	Armor Plating, High-Performance Nozzle
Binagong proseso ng Lely	Napaka purong kristal Perpektong istraktura Mas mahusay na kontrol sa proseso	Semiconductors, Quantum Computing
Chemical Vapor Deposition (CVD)	Kahit komposisyon Mataas na kadalisayan Maaaring gumamit ng iba't ibang mga materyales	Mga coatings na lumalaban sa pagsusuot, lumalaban sa kaagnasan Mga coatings, industriya ng semiconductor
Ang proseso ng acheson	Simple at mababang gastos Maaaring makagawa ng malaking halaga Pare-pareho, de-kalidad na mga kristal	Mga abrasives, refractory material

Silicon Carbide (SIC) sa mga modernong aplikasyon

Sa industriya ng automotiko, lalo na para sa mga de -koryenteng sasakyan, ang SIC ay nagpapabuti sa pagganap ng inverter at ginagawang mas maliit ang mga sistema ng pamamahala ng baterya, pagpapalawak ng saklaw ng sasakyan at mga gastos sa pagputol.Tinatantya ng Goldman Sachs na ang mga pagpapabuti na ito ay maaaring makatipid ng halos $ 2,000 bawat sasakyan.

Larawan 13: Silicon carbide disk preno

Sa solar power, ang SIC ay nagdaragdag ng kahusayan ng inverter, na nagpapahintulot sa mas mataas na bilis ng paglipat, na binabawasan ang laki ng circuit at gastos.Ang tibay nito at matatag na pagganap ay ginagawang mas mahusay kaysa sa mga materyales tulad ng gallium nitride para sa mga solar application.

Larawan 14: sic para sa mga solar system ng enerhiya

Sa telecommunication, pinapayagan ng mahusay na pamamahala ng thermal ang mga aparato na hawakan ang mas mataas na mga density ng kuryente, pagpapabuti ng pagganap sa mga istasyon ng cellular base at pagsuporta sa 5G rollout.Ang mga pagsulong na ito ay nakakatugon sa pangangailangan para sa mas mahusay na kahusayan sa pagganap at enerhiya sa mga susunod na gen na wireless na komunikasyon.

Larawan 15: Pangatlong henerasyon na semiconductor silikon karbida

Sa mga setting ng pang -industriya, ang SIC ay may mga malupit na kapaligiran at mataas na boltahe, na nagpapahintulot sa mga naka -streamline na disenyo na may mas kaunting paglamig, mas mataas na kahusayan, at mas mababang gastos, pagpapahusay ng pagganap ng system.

Figure16: Paggawa ng bakal na may silikon na karbida

Sa pagtatanggol at aerospace, ang SIC ay ginagamit sa mga sistema ng radar, mga sasakyan sa espasyo, at mga elektronikong sasakyang panghimpapawid.Ang mga sangkap ng sic ay mas magaan at mas mahusay kaysa sa silikon, pinakamahusay para sa mga misyon ng espasyo kung saan binabawasan ang mga gastos sa pagbawas ng timbang.

Larawan 17: End-to-end SIC Production at Application

Konklusyon

Ang Silicon Carbide (SIC) ay nagiging go-to material para sa maraming mga application na may mataas na demand dahil sa mahusay na mga pag-aari at pinahusay na mga diskarte sa paggawa.Sa malawak na bandgap nito, mahusay na thermal conductivity, at malakas na mga katangian ng mekanikal, ang SIC ay mainam para sa mga mahihirap na kapaligiran na nangangailangan ng mataas na lakas at paglaban sa init.Ang detalyadong pagtingin ng artikulo sa mga pamamaraan ng paggawa ng SIC ay nagpapakita kung paano pinapayagan ang mga pagsulong sa materyal na agham para sa pagpapasadya ng mga katangian ng SIC upang matugunan ang mga tiyak na pang -industriya na pangangailangan.Habang lumilipat ang mga industriya patungo sa mas mahusay at compact na aparato, ang SIC ay may papel sa automotiko, solar power, telecommunication, at aerospace na teknolohiya.Ang patuloy na pananaliksik upang mabawasan ang mga gastos at pagbutihin ang kalidad ng SIC ay inaasahang madaragdagan ang pagkakaroon ng merkado nito, pinalakas ang mahalagang papel nito sa hinaharap ng mga materyales na semiconductor at mga aplikasyon ng mataas na pagganap.

Madalas na Itinanong [FAQ]

1. Sino ang gumagamit ng silikon na karbida?

Ang Silicon Carbide ay ginagamit ng mga industriya at propesyonal na nagtatrabaho sa electronics, automotive, aerospace, at pagmamanupaktura.Ang mga inhinyero at technician ay umaasa dito para sa tibay at kahusayan nito sa mga kapaligiran na may mataas na stress.

2. Ano ang ginamit na Silicon Carbide Semiconductor?

Ang mga semiconductor ng silikon na karbida ay ginagamit para sa mga aplikasyon ng high-power at high-temperatura.Ginagamit ito sa mga aparato ng kuryente para sa mga de-koryenteng sasakyan upang pamahalaan ang kapangyarihan nang mahusay, at sa mga diode at transistor na matatagpuan sa mga nababagong teknolohiya ng enerhiya at mga aplikasyon ng mataas na kapangyarihan tulad ng mga sistema ng riles.

3. Ano ang aplikasyon ng silikon na karbida sic?

Ang mga aplikasyon ng silikon na karbida (sic) ay kasama ang:

Power Electronics: Mahusay na pag -convert ng kapangyarihan at pamamahala.

Mga de -koryenteng sasakyan: Pinahusay na pagganap at saklaw.

Solar inverters: nadagdagan ang output ng enerhiya at pagiging maaasahan.

Aerospace: Mataas na temperatura at mga sangkap na may mataas na stress.

Kagamitan sa Pang-industriya: Malakas at pangmatagalang bahagi.

4. Anong mga produkto ang ginawa mula sa silikon na karbida?

Ang mga produktong ginawa mula sa silikon na karbida ay mula sa mga semiconductors at elektronikong aparato hanggang sa mga abrasives, mga tool sa pagputol, at mga elemento ng pag -init.Ginagamit din ito sa sandata at proteksiyon na gear dahil sa tigas at thermal resist.

5. Saan ginawa ang silikon na karbida?

Ang Silicon Carbide ay ginawa sa mga dalubhasang pasilidad, lalo na sa Estados Unidos, China, at Europa.Ang mga kumpanya ay nagpapatakbo ng mga hurno na may mataas na temperatura upang synthesize ang SIC mula sa mga hilaw na materyales tulad ng quartz buhangin at petrolyo coke.

6. Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng silikon at silikon na karbida?

Ang pagkakaiba sa pagitan ng silikon at silikon na karbida ay namamalagi sa kanilang mga pag -aari at aplikasyon.Ang Silicon ay isang purong elemento na ginagamit sa karaniwang mga aparato ng semiconductor at solar panel, habang ang silikon na karbida ay isang tambalang kilala sa tigas nito, mataas na thermal conductivity, at kakayahang gumana sa mas mataas na boltahe at temperatura.Ginagawa nitong perpekto ang SIC para sa mga application na may mataas na lakas at mataas na temperatura, kung saan mabibigo ang silikon.