Struktur und Anwendungen von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) ist ein extrem starkes und haltbares Material mit einigen einzigartigen elektrischen Eigenschaften.

Kristalliner Kohlenstoff kristallisiert in dicht gepackten Strukturen, die kovalent miteinander verbunden sind. Seine Atome bilden zwei primäre Koordinationstetraeder mit vier Kohlenstoff- und vier Siliciumatomen in jeder Ecke, die über ihre Ecken miteinander verbunden sind, um polytypische Strukturen zu bilden, die Polytypen genannt werden.

Physikalische Eigenschaften

Siliciumcarbid ist ein extrem hartes Material mit einer Mohshärte von 9 bis 10, die zwischen der von Aluminiumoxid und Diamant liegt. Siliciumcarbid wird in großem Umfang als Schleifmittel in der modernen Steinschneidekunst, bei Schleif- und Bearbeitungsvorgängen, als feuerfeste Auskleidung von Industrieöfen, Schneidewerkzeugen, verschleißfesten Teilen von Pumpen und Raketenmotoren sowie als verschleißfestes Griffband für Skateboards und im Karborundumdruck verwendet - dem Verfahren, bei dem Karborundum-Körner auf eine Aluminiumplatte aufgebracht und dann mit Hilfe von Rollbettpressen auf Papier gedruckt werden (Mountain).

Synthetische Polycarbonate können entweder durch Reaktionsbindung oder durch Sintern hergestellt werden, wobei letzteres durch Zugabe von 0,5% Kohlenstoff oder 0,5% Bor als Sinterhilfsmittel verbessert wird, um Oberflächendiffusion zu verhindern und die Korngrenzenenergie zu verändern (Mountain).

SiC ist eine beeindruckende Industriekeramik mit vielfältigen mechanischen Eigenschaften, die es in verschiedenen industriellen Bereichen von unschätzbarem Wert macht. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen thermischen Ausdehnung wird es immer häufiger in der Leistungselektronik für Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Darüber hinaus könnten die elektrischen Eigenschaften von SiC die traditionellen Silizium-Halbleiter in Anwendungen mit höheren Spannungen wie Antriebswechselrichtern für Elektrofahrzeuge und DC/DC-Wandlern für Ladestationen ersetzen.

Chemische Eigenschaften

Siliciumcarbid kann mit Stickstoff und Phosphor dotiert werden, um n-Typ-Halbleiter zu bilden, während Beryllium, Bor, Aluminium und Gallium dazu dotiert werden können, um p-Typ-Halbleiter herzustellen. Aufgrund seiner dicht gepackten und symmetrischen Struktur bietet Siliziumkarbid eine ideale Plattform für die Dotierung.

Feuerfestes Material ist hart, spröde und wärmeleitfähig. Es kann hohen Temperaturen und Spannungen standhalten, und sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient bietet Vorteile bei Anwendungen, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Obwohl natürlicher Moissanit (Csi3SiO6) in Meteoriten und Kimberlit vorkommt, ist das meiste heute verkaufte Siliciumcarbid synthetisch. Es kommt in vielen Formen vor, von grünen bis schwarzen kristallinen Körnern bis hin zu sechs Zoll großen SiC-Wafern, die für Anwendungen in der Leistungselektronik verwendet werden. Es ist chemisch inert, da es der Korrosion durch organische Säuren und Laugen widersteht, mit Ausnahme von Flusssäure und Schwefelsäure; es ist unlöslich in Wasser oder anderen Lösungsmitteln, jedoch löslich in geschmolzenen Laugen wie NaOH oder KOH.

Elektrische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das zwischen Metallen (die Elektrizität leiten) und Isolatoren (die nicht leiten) liegt. Die elektrischen Eigenschaften von SiC hängen von der Temperatur und den Verunreinigungen in seiner Zusammensetzung ab: Bei niedrigen Temperaturen wirkt es wie ein Isolator, während bei höheren Temperaturen seine Leitfähigkeit spürbar wird. Die Leitfähigkeit von SiC kann durch Zugabe von Aluminium-, Bor- oder Galliumverunreinigungen weiter verbessert werden, die die Zahl der freien Ladungsträger erhöhen und SiC in einen P-Halbleiter verwandeln.

Die Kombination physikalischer und chemischer Eigenschaften macht Ton zu einem attraktiven Material für verschiedene Industriezweige, von Keramikplatten, die die Abriebfestigkeit und Bremskraft erhöhen, bis hin zu seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seinem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, die den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen ermöglichen.

Darüber hinaus ermöglicht seine einzigartige Bandlücke den Betrieb bei höheren Spannungen und Frequenzen als bei herkömmlicher Elektronik auf Siliziumbasis, was es zum perfekten Material für Leistungsbauelemente wie Dioden, Transistoren und Thyristoren macht.

Thermische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist eine anorganische Keramik mit hervorragenden thermischen Eigenschaften, die es für viele verschiedene Anwendungen geeignet macht. Siliciumcarbid wird aufgrund seiner Härte in verschleißfesten Teilen und Schleifmitteln, aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und geringen Wärmeausdehnung in feuerfesten Materialien und Keramiken sowie aufgrund seiner Fähigkeit, Strom unter extremen Temperaturen zu leiten, in der Elektronik eingesetzt.

SiC ist aufgrund seiner kubisch-diamantischen Kristallstruktur, bei der die Hälfte der Atome durch Silizium ersetzt ist, ein effektiver Wärmeleiter, der eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist. SiC weist eine effiziente Bandlücke auf, die es den Elektronen ermöglicht, sich leicht zwischen seinen Valenz- und Leitungsbändern zu bewegen, im Gegensatz zu Isolatoren, die übermäßige Energiemengen benötigen, um diese Lücke zwischen ihren Bändern zu überqueren.

Die Kristallstruktur von SiC kann verschiedene Formen annehmen, die als Polytypen bezeichnet werden. Jeder Polytyp besteht aus Schichten, die in bestimmten Stapelfolgen gestapelt sind, was zu einzigartigen atomaren Anordnungen führt - dies verleiht SiC eine extrem hohe spezifische Wärme und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.