Carbure de silicium dévoilé: propriétés, méthodes et applications

Cet article explore les qualités uniques du SIC, y compris sa structure, sa résistance à la chaleur, sa stabilité chimique et sa résistance mécanique, qui le rendent meilleur que les matériaux traditionnels comme le silicium, le nitrure de gallium et le germanium.Il examine également différentes manières que le SIC est produite comme le processus Acheson, le dépôt de vapeur chimique et le processus de Lely modifié et comment ces méthodes améliorent sa pureté et ses performances à des fins industrielles.L'article compare également les propriétés électriques, thermiques et mécaniques de la SIC avec d'autres semi-conducteurs, mettant en évidence son utilisation croissante sur les marchés qui nécessitent une densité de puissance élevée, une efficacité thermique et une durabilité.

Catalogue

Figure 1: Un gros plan de la main d'une femme tenant un cristal en carbure de silicium (sic) (aka carborundum ou maillant)

Propriétés en carbure de silicium (sic)

Figure 2: Carbure de silicium dans la boîte de Pétri

La forme la plus courante de carbure de silicium est le carbure de silicium alpha (α-SIC).Il se forme à des températures supérieures à 1 700 ° C et a une forme de cristal hexagonal comme le wurtzite.Lorsque la température est inférieure à 1 700 ° C, le carbure de silicium bêta (β-SIC) est produit.Cette version a une structure cristalline similaire à celle d'un diamant.

Figure 3: Carbure de silicium alpha (α-SIC)

Figure 4: Carbure de silicium bêta (β-SIC)

Figure 5: L'échelle de dureté MOHS

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs après le diamant, avec une dureté MOHS d'environ 9 à 9,5. Sa dureté de knoop peut varier en fonction de sa forme et de sa pureté, mais elle est généralement très élevée, souvent entre 2 480 et 3 000 kg / mm².

Le carbure de silicium peut résister à une pression très élevée, souvent supérieure à 3 000 MPa, a une résistance à la flexion élevée, généralement entre 400 et 500 MPa, et a une bonne résistance à la traction, entre 250 et 410 MPa.

Dureté Méthodes de test	Test Plage de valeur	Spécifique Valeurs (carbure de silicium noir)	Spécifique Valeurs (carbure de silicium vert)
Dureté de Brinell	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Vickers dureté	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Dureté rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Dureté mohs	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic mène bien la chaleur, avec un thermique conductivité d'environ 120 w / mk, ce qui le rend idéal pour Gérer la chaleur en électronique.À 20 ° C, il conduit de la chaleur à environ 0,41 watts pour centtimètre par degré Celsius (avec ° C).Mais quand la température monte à 1000 ° C, sa conduction thermique tombe à environ 0,21 W / cm ° C.

De plus, le carbure de silicium (sic) est rapidement affecté par la plupart des métaux, les fondus en oxyde métallique et les fondus alcalins, mais il ne se dissout pas dans les acides ou les bases.Les impuretés du carbure technique de silicium comprennent généralement du carbone libre (C) et du dioxyde de silicium (SiO2), avec de petites quantités de silicium (Si), de fer (FE), d'aluminium (AL) et de calcium (CA).Le poids moléculaire du SIC est de 40,096.Le SIC pur est composé de 70,05% de silicium (Si) et de 29,95% de carbone (C).

Figure 6: Structure chimique en carbure de silicium (sic)

Figure 7: Structure chimique en carbure de silicium (sic)

Propriétés du carbure de silicium de type N et de type P (SIC)

Carbure de silicium de type N (sic)

Le carbure de silicium (SIC) est un matériau difficile utilisé dans les applications à forte stress car elle gère bien la chaleur et est très forte.Pour faire du sic de type n, des impuretés sont ajoutées, un processus appelé doping, qui modifie ses propriétés électriques.Des éléments comme l'azote ou le phosphore, qui ont plus d'électrons de valence que le silicium, sont ajoutés pour augmenter le nombre d'électrons libres dans la structure SIC.Cela crée un matériel négativement chargé ou «n-type».

Ces électrons libres améliorent considérablement la conductivité électrique du sic.Dans le SIC de type N, les électrons peuvent se déplacer plus facilement par rapport au SIC pur, où leur mouvement est limité.Ce meilleur mouvement d'électrons rend l'idéal de type N pour l'électronique d'alimentation et les dispositifs à haute fréquence où un flux électronique rapide et efficace.Bien que le SIC de type N ait une meilleure conductivité, il ne conduit pas l'électricité ainsi que les métaux, en maintenant ses propriétés semi-conductrices.Cet équilibre permet un contrôle précis du débit d'électrons dans divers appareils électroniques.

Carbure de silicium de type P (sic)

Le carbure de silicium de type P (SIC) fonctionne différemment de sa version de type N.Le dopage de type P implique l'ajout d'éléments comme le bore ou l'aluminium, qui ont moins d'électrons de valence que le silicium.Cela crée des "trous" ou des espaces où les électrons manquent, donnant au matériau une charge positive et en le faisant "type P".Ces trous aident à transporter le courant électrique en permettant aux charges positives de se déplacer.

Pourquoi le carbure de silicium (sic) préféré?

Figure 8: Matériaux semi-conducteurs

Le tableau ci-dessous fournit une comparaison détaillée de quatre matériaux semi-conducteurs: le silicium (Si), le nitrure de gallium (Gan), le germanium (GE) et le carbure de silicium (SIC).La comparaison est organisée en différentes catégories.

Aspect	Silicium (Si)	Gallium Nitrure (Gan)	Germanium (Ge)	Silicium Carbure (sic)
Propriétés électriques	Processus matures, bande interdite de 1,1 eV, limité en haute puissance / fréquence	Mobilité élevée des électrons, 3,4 eV Bandgap, Applications de haute puissance / fréquence	Mobilité d'électrons élevée, 0,66 eV Bandgap, haut fuite	Large bande interdite de 3,2 eV, efficace à haut tensions / températures, faible fuite
Propriétés thermiques	Conductivité thermique modérée, peut limiter Utilisations de haute puissance	Mieux que le silicium mais nécessite avancé refroidissement	Conductivité thermique plus faible que le silicium	Haute conductivité thermique, chaleur efficace dissipation
Propriétés mécaniques	Fragile, suffisant pour la plupart des utilisations	Fragile, enclin à craquer sur substrats	Plus cassant que le silicium	Dur, fort, adapté à la grande durabilité applications
Adoption du marché	Dominant en raison d'une infrastructure établie et faible coût	Populaire en télécommunications et défense, limité par coût élevé	Limité en raison de propriétés moins favorables	Densité de puissance élevée, opération à haute température, Efficacité, durabilité, réduction des coûts continue

Faire du carbure de silicium (sic)

Pour faire du carbure de silicium, vous chauffez généralement du sable de silice et des trucs riches en carbone comme le charbon à près de 2500 degrés Celsius.Cela vous donne du carbure de silicium plus sombre avec des impuretés de fer et de carbone.Le carbure de silicium peut être synthétisé par quatre méthodes principales, chacune avec des avantages distincts adaptés à des utilisations particulières.Ces méthodes comprennent:

Carbure de silicium lié à la réaction (RBSC)

Le carbure de silicium lié à la réaction (RBSC) est fabriqué à partir d'un mélange finement mélangé de carbure de silicium et de carbone.Le mélange est chauffé à une température élevée et exposé au liquide ou au silicium de vapeur.Le silicium et le carbone réagissent pour former plus de carbure de silicium, et le silicium remplit tous les pores restants.Comme le nitrure de silicium lié à la réaction (RBSN), les changements de RBSC se façonnent très peu pendant le frittage.Lorsque ces produits arrivent au point de fusion du silicium, ils restent presque aussi forts qu'auparavant.RBSC est populaire dans l'industrie de la céramique car il est rentable et peut être façonné en conceptions complexes.

Figure 9: Carbure de silicium lié à la réaction

Procédure de carbure de silicium lié à la réaction (RBSC):

Mélanger les particules de carbure de silicium grossier avec du silicium et des plastifiants.Mélanger jusqu'à ce qu'un mélange uniforme soit obtenu;

Machinez le mélange dans les formes et formes souhaitées.Assurer la précision de la géométrie pour correspondre aux spécifications finales;

Placer les pièces en forme dans une fournaise à haute température.Chauffer à une température qui provoque une réaction entre les particules de carbure de silicium et de silicium;

Le silicium réagit avec le carbure de silicium, se liant à la matrice et augmentant la résistance et la durabilité;

Laisser les pièces se refroidir progressivement à température ambiante;

Pisonnez les pièces refroidies pour répondre aux spécifications exactes et améliorer la finition de surface.

Processus de Lely modifié

Figure 10: processus de Lely modifié

Créé en 1978 par Tairov et Tsvetkov, la méthode est également appelée méthode modifiée.Le processus de Lely modifié améliore la synthèse des cristaux de carbure de silicium.Il s'agit de chauffer puis de refroidir une poudre SIC dans un récipient semi-fermé, lui permettant de former des cristaux sur une graine qui est maintenue à une température légèrement plus froide.

Procédure de processus Lely modifiée:

Mélanger soigneusement les poudres de silicium et de carbone.Placer le mélange dans un creuset en graphite;

Placer le creuset dans une fournaise.Chaleur à environ 2000 ° C dans un environnement de gaz sous vide ou inerte pour prévenir l'oxydation;

Le mélange de carbure de silicium sublimate, passant d'un solide à un gaz.

Les vapeurs en carbure de silicium se déposent sur une tige de graphite positionnée centralement.Des ouil cristaux SIC de haute pureté se forment sur la tige.

Refroidir soigneusement le système à température ambiante.

Extraire les cristaux de carbure de silicium de haute pureté de la tige de graphite pour une utilisation dans des applications de haute technologie.

Dépôt de vapeur chimique (CVD)

Figure 11: Dépôt de vapeur chimique (CVD)

Un composé de silane réactif, l'hydrogène et l'azote ont été utilisés dans une méthode de dépôt de vapeur chimique (CVD) pour produire du carbure de silicium (sic) à des températures entre 1073 et 1473 K.être contrôlé.Dans le processus de MCV pour le carbure de silicium, l'hydrogène et le méthyltrichlorosilane en panne (MT) sont mélangés sur une surface à haute température et à basse pression pour créer une couche contrôlée de carbure de silicium dense.

Procédure de dépôt chimique de vapeur (CVD):

Préparer le tétrachlorure de silicium (SICL4) et le méthane (CH4) comme principales sources chimiques;

Placer le tétrachlorure de silicium et le méthane dans un réacteur à haute température;

Chauffer le réacteur à la température requise pour initier des réactions chimiques;

L'environnement à haute température provoque des réactions entre le tétrachlorure de silicium et le méthane.Ces réactions forment du carbure de silicium (sic);

Le carbure de silicium se forme et se dépose sur les substrats souhaités dans le réacteur;

Laisser le réacteur et son contenu se refroidir progressivement;

Extraire les substrats ou composants revêtus.Effectuer tous les processus de finition pour répondre aux spécifications finales.

Le processus d'aqueson

Figure 12: Le processus Acheson

La façon la plus courante de fabriquer SIC est la méthode Acheson.Edward Goodrich Acheson a créé ce processus en 1893 pour produire du sic et du graphite.De nombreuses plantes en carbure de silicium utilisent depuis cette méthode.

La procédure de processus Acheson:

Mélanger soigneusement du sable de silice avec du coke;

Disposer le mélange autour d'une tige de graphite centrale dans une fournaise de résistance électrique;

Chauffer le four à près de 2500 ° C.Maintenir la température pour conduire la réaction chimique;

La chaleur intense fait réagir la silice et le carbone, formant du carbure de silicium;

Laisser le four refroidir progressivement;

Extraire le carbure de silicium formé du four;

Traitez en outre le carbure de silicium chaque fois que nécessaire.

Ce tableau fournit une comparaison simplifiée de quatre méthodes utilisées pour produire du carbure de silicium (SIC).Il vise à aider à comprendre les avantages uniques et les meilleures utilisations de chaque technique de production.

Méthode	Avantages	Meilleur Usages
Carbure de silicium lié à la réaction (RBSC)	Fait des pièces fortes et durables Bon pour les formes complexes Peu de déformation	Placage d'armure, buses haute performance
Processus de Lely modifié	Cristaux très purs Structure parfaite Meilleur contrôle sur le processus	Semi-conducteurs, informatique quantique
Dépôt de vapeur chimique (CVD)	Même composition Pureté élevée Peut utiliser différents matériaux	Revêtements résistants à l'usure, résistant à la corrosion Revêtements, industrie des semi-conducteurs
Le processus d'aqueson	Coût simple et bas Peut produire de grandes quantités Cristaux cohérents et de haute qualité	Abrasifs, matériaux réfractaires

Le carbure de silicium (sic) dans les applications modernes

Dans l'industrie automobile, en particulier pour les véhicules électriques, le SIC améliore les performances de l'onduleur et rend les systèmes de gestion de la batterie plus petits, prolongeant la gamme de véhicules et la réduction des coûts.Goldman Sachs estime que ces améliorations pourraient économiser environ 2 000 $ par véhicule.

Figure 13: frein à disque en carbure de silicium

Dans l'énergie solaire, le SIC augmente l'efficacité de l'onduleur, permettant des vitesses de commutation plus élevées, ce qui réduit la taille et les coûts du circuit.Sa durabilité et ses performances stables le rendent meilleur que les matériaux comme le nitrure de gallium pour les applications solaires.

Figure 14: SIC pour les systèmes d'énergie solaire

Dans les télécommunications, l'excellente gestion thermique du SIC permet aux appareils de gérer des densités de puissance plus élevées, d'améliorer les performances des stations de base cellulaire et de prendre en charge le déploiement de la 5G.Ces progrès répondent à une meilleure performance et à une meilleure efficacité énergétique dans les communications sans fil de nouvelle génération.

Figure 15: Carbure de silicium semi-conducteur de troisième génération

Dans les milieux industriels, le SIC résiste aux environnements durs et aux hautes tensions, permettant des conceptions rationalisées avec moins de refroidissement, des efficacités plus élevées et des coûts plus bas, améliorant les performances du système.

Figure16: Faire de l'acier avec du carbure de silicium

En défense et en aérospatiale, SIC est utilisé dans les systèmes radar, les véhicules spatiaux et l'électronique d'avions.Les composants SIC sont plus légers et plus efficaces que le silicium, mieux pour les missions spatiales où la réduction des baisses de poids.

Figure 17: Production et applications SIC de bout en bout

Conclusion

Le carbure de silicium (SIC) devient le matériau incontournable pour de nombreuses applications à haute demande en raison de ses excellentes propriétés et de ses techniques de production améliorées.Avec sa bande interdite large, sa grande conductivité thermique et ses fortes propriétés mécaniques, le SIC est idéal pour des environnements difficiles qui ont besoin d'une puissance élevée et d'une résistance à la chaleur.Le regard détaillé de l'article sur les méthodes de production du SIC montre comment les progrès de la science des matériaux permettent la personnalisation des propriétés du SIC pour répondre aux besoins industriels spécifiques.Alors que les industries se déplacent vers des appareils plus efficaces et compacts, le SIC joue un rôle dans l'automobile, l'énergie solaire, les télécommunications et les technologies aérospatiales.Les recherches en cours pour réduire les coûts et améliorer la qualité du SIC devraient augmenter sa présence sur le marché, renforçant son rôle important dans l'avenir des matériaux semi-conducteurs et des applications haute performance.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Qui utilise du carbure de silicium?

Le carbure de silicium est utilisé par les industries et les professionnels travaillant dans l'électronique, l'automobile, l'aérospatiale et la fabrication.Les ingénieurs et les techniciens comptent sur lui pour sa durabilité et son efficacité dans des environnements à forte stress.

2. À quoi sert le semi-conducteur en carbure de silicium?

Les semi-conducteurs en carbure de silicium sont utilisés pour des applications à haute puissance et à haute température.Il est utilisé dans les dispositifs d'alimentation pour les véhicules électriques pour gérer l'alimentation efficace et dans les diodes et les transistors trouvés dans les technologies d'énergie renouvelable et les applications de haute puissance comme les systèmes ferroviaires.

3. Quelle est l'application de SILICON CARBUDE SIC?

Les applications du carbure de silicium (sic) comprennent:

Électronique de puissance: conversion et gestion de puissance efficaces.

Véhicules électriques: performances et gamme améliorées.

Onduleurs solaires: augmentation de la production d'énergie et fiabilité.

Aérospatial: composants à haute température et à stress élevé.

Équipement industriel: pièces fortes et durables.

4. Quels produits sont fabriqués à partir de carbure de silicium?

Les produits fabriqués à partir de carbure de silicium vont des semi-conducteurs et des appareils électroniques aux abrasifs, aux outils de coupe et aux éléments de chauffage.Il est également utilisé dans l'armure et l'équipement de protection en raison de sa dureté et de sa résistance thermique.

5. Où est produit du carbure de silicium?

Le carbure de silicium est produit dans des installations spécialisées, principalement aux États-Unis, China et en Europe.Les entreprises exploitent des fours à haute température pour synthétiser le SIC à partir de matières premières comme le sable de quartz et le coke de pétrole.

6. Quelle est la différence entre le silicium et le carbure de silicium?

La différence entre le silicium et le carbure de silicium réside dans leurs propriétés et applications.Le silicium est un élément pur utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs standard et les panneaux solaires, tandis que le carbure de silicium est un composé connu pour sa dureté, sa conductivité thermique élevée et sa capacité à fonctionner à des tensions et des températures plus élevées.Cela rend le SIC idéal pour les applications de haute puissance et à haute température, où le silicium échouerait.