Silicon Carbide presentado: Propiedades, métodos y aplicaciones

Este artículo explora las cualidades únicas de SIC, incluida su estructura, resistencia al calor, estabilidad química y resistencia mecánica, que lo hacen mejor que los materiales tradicionales como el silicio, el nitruro de galio y el germanio.También analiza diferentes formas en que se produce SIC, como el proceso Acheson, la deposición de vapor químico y el proceso de Lely modificado y cómo estos métodos mejoran su pureza y rendimiento para fines industriales.El artículo también compara las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de SIC con otros semiconductores, destacando su uso creciente en los mercados que necesitan alta densidad de potencia, eficiencia térmica y durabilidad.

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Figura 1: Un primer plano de la mano de una mujer que sostiene un cristal de carburo de silicio (sic) (también conocido como carborundum o moissanite)

Propiedades de carburo de silicio (sic)

Figura 2: Cárburo de silicio en plato de Petri

La forma más común de carburo de silicio es el carburo de silicio alfa (α-SIC).Se forma a temperaturas de más de 1.700 ° C y tiene una forma de cristal hexagonal como la wurtzita.Cuando la temperatura es inferior a 1.700 ° C, se produce carburo de silicio beta (β-SIC).Esta versión tiene una estructura cristalina similar a la de un diamante.

Figura 3: carburo de silicio alfa (α-sic)

Figura 4: carburo de silicio beta (β-sic)

Figura 5: La escala de dureza de Mohs

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros después del diamante, con una dureza de los MOHS de aproximadamente 9 a 9.5. Su dureza Knoop puede variar según su forma y pureza, pero generalmente es muy alta, a menudo entre 2,480 y 3.000 kg/mm².

El carburo de silicio puede soportar una presión muy alta, a menudo más de 3.000 MPa, tiene una alta resistencia a la flexión, generalmente entre 400 y 500 MPa, y tiene una buena resistencia a la tracción, entre 250 y 410 MPa.

Dureza Métodos de prueba	Prueba Rango de valor	Específico Valores (carburo de silicio negro)	Específico Valores (carburo de silicio verde)
Dureza de Brinell	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Dureza de Vickers	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Dureza de Rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Dureza de mohs	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic conduce bien el calor, con un térmico conductividad de aproximadamente 120 w/mk, por lo que es excelente para Gestión del calor en electrónica.A 20 ° C, realiza calor a aproximadamente 0.41 vatios Porcentímetro por grado Celsius (w/cm ° C).Pero cuando la temperatura sube a 1000 ° C, su conducción de calor cae a alrededor de 0.21 W/cm ° C.

Además, el carburo de silicio (SIC) se ve afectado rápidamente por la mayoría de los metales, los fundidos de óxido metálico y los fundidos alcalinos, pero no se disuelve en ácidos o bases.Las impurezas en el carburo de silicio técnico generalmente incluyen carbono libre (c) y dióxido de silicio (SiO2), con pequeñas cantidades de silicio (SI), hierro (Fe), aluminio (Al) y calcio (CA).El peso molecular de SIC es 40.096.El SIC puro está hecho de 70.05% de silicio (SI) y 29.95% de carbono (C).

Figura 6: Estructura química de carburo de silicio (sic)

Figura 7: Estructura química de carburo de silicio (sic)

Propiedades del carburo de silicio de tipo N y tipo P (SIC)

Carburo de silicio de tipo N (sic)

El carburo de silicio (SIC) es un material difícil utilizado en aplicaciones de alto estrés porque maneja bien el calor y es muy fuerte.Para hacer SIC de tipo N, se agregan impurezas, un proceso llamado dopaje, que cambia sus propiedades eléctricas.Se agregan elementos como el nitrógeno o el fósforo, que tienen más electrones de valencia que el silicio, para aumentar el número de electrones libres en la estructura SIC.Esto crea un material con carga negativa o "tipo N".

Estos electrones libres mejoran en gran medida la conductividad eléctrica de SIC.En SIC de tipo N, los electrones pueden moverse más fácilmente en comparación con Pure SIC, donde su movimiento es limitado.Este mejor movimiento de electrones hace que N-Type SIC sea ideal para la electrónica de potencia y los dispositivos de alta frecuencia donde el flujo de electrones rápido y eficiente.Si bien el SIC de tipo N tiene una mejor conductividad, no realiza electricidad y metales, manteniendo sus propiedades semi-conductivas.Este equilibrio permite un control preciso del flujo de electrones en varios dispositivos electrónicos.

Carburo de silicio de tipo P (sic)

El carburo de silicio de tipo P (SIC) funciona de manera diferente a su versión de tipo N.El dopaje de tipo P implica agregar elementos como boro o aluminio, que tienen menos electrones de valencia que el silicio.Esto crea "agujeros" o espacios donde faltan electrones, lo que le da al material una carga positiva y lo hace "de tipo P".Estos agujeros ayudan a transportar corriente eléctrica al permitir que las cargas positivas se muevan.

¿Por qué prefería el carburo de silicio (SIC)?

Figura 8: Materiales de semiconductores

La siguiente tabla proporciona una comparación detallada de cuatro materiales semiconductores: silicio (SI), nitruro de galio (GaN), germanio (GE) y carburo de silicio (SIC).La comparación se organiza en diferentes categorías.

Aspecto	Silicio (Si)	Galio Nitruro (gan)	Germanio (GE)	Silicio Carburo (sic)
Propiedades eléctricas	Procesos maduros, bandgap de 1.1 eV, limitado en alta potencia/frecuencia	Alta movilidad de electrones, 3.4 eV bandgap, Aplicaciones de alta potencia/frecuencia	Alta movilidad de electrones, 0.66 eV bandgap, alto fuga	Bandgap ancho de 3.2 eV, eficiente a alto voltajes/temperaturas, baja fuga
Propiedades térmicas	Conductividad térmica moderada puede limitar Usos de alta potencia	Mejor que el silicio pero requiere avanzado enfriamiento	Conductividad térmica más baja que el silicio	Alta conductividad térmica, calor efectivo disipación
Propiedades mecánicas	Frágil, suficiente para la mayoría de los usos	Quebradizo, propenso a agrietarse en coincidencias sustratos	Más frágil que el silicio	Duro, fuerte, adecuado para alta durabilidad aplicaciones
Adopción del mercado	Dominante debido a la infraestructura establecida y bajo costo	Popular en telecomunicaciones y defensa, limitado por alto costo	Limitado debido a propiedades menos favorables	Alta densidad de potencia, operación de alta temperatura, eficiencia, durabilidad, reducción de costos continuos

Hacer carburo de silicio (sic)

Para hacer carburo de silicio, generalmente calienta la arena de sílice y las cosas ricas en carbono como el carbón a casi 2500 grados Celsius.Esto le brinda carburo de silicio más oscuro con algunas impurezas de hierro y carbono.El carburo de silicio se puede sintetizar a través de cuatro métodos principales, cada uno con beneficios distintos adaptados para usos particulares.Estos métodos incluyen:

Reacción unida de silicio unida (RBSC)

El carburo de silicio unido por reacción (RBSC) está hecho de una mezcla finamente mixta de carburo de silicio y carbono.La mezcla se calienta a alta temperatura y se expone a silicio líquido o vapor.El silicio y el carbono reaccionan para formar más carburo de silicio, y el silicio llena los poros sobrantes.Al igual que el nitruro de silicio unido por reacción (RBSN), RBSC cambia de forma muy poco durante la sinterización.Cuando estos productos llegan al punto de fusión del silicio, se mantienen casi tan fuertes como antes.RBSC es popular en la industria de la cerámica porque es rentable y se puede formar en diseños complejos.

Figura 9: Cárburo de silicio unido a reacción

Procedimiento de reacción unida de carburo de silicio (RBSC):

Combine partículas gruesas de carburo de silicio con silicio y plastificantes.Mezcle hasta alcanzar una mezcla uniforme;

Machine la mezcla en las formas y formas deseadas.Asegurar la precisión en la geometría para que coincida con las especificaciones finales;

Coloque las piezas en forma en un horno de alta temperatura.Calentar a una temperatura que causa una reacción entre las partículas de silicio y carburo de silicio;

El silicio reacciona con el carburo de silicio, unido a la matriz y aumentando la resistencia y la durabilidad;

Permita que las piezas se enfríen gradualmente a temperatura ambiente;

Pule las piezas enfriadas para cumplir con las especificaciones exactas y mejorar el acabado superficial.

Proceso de lely modificado

Figura 10: Proceso de Lely modificado

Creado en 1978 por Tairov y Tsvetkov, el método también se llama método modificado.El proceso Lely modificado mejora la síntesis de cristales de carburo de silicio.Implica calentar y luego enfriar un polvo SIC en un recipiente semicerrado, lo que le permite formar cristales en una semilla que se mantiene a una temperatura ligeramente más fría.

Procedimiento de proceso Lely modificado:

Mezcle a fondo los polvos de silicio y carbono.Coloque la mezcla en un crisol de grafito;

Coloque el crisol en un horno.Calentar a aproximadamente 2000 ° C en un entorno de vacío o gas inerte para prevenir la oxidación;

La mezcla de carburo de silicio se sublima, cambiando de un sólido a un gas.

Los vapores de carburo de silicio se depositan en una varilla de grafito colocada en el centro.Se forman cristales individuales SIC de alta pureza en la barra.

Enfríe cuidadosamente el sistema a temperatura ambiente.

Extraiga los cristales de carburo de silicio de alta pureza de la varilla de grafito para su uso en aplicaciones de alta tecnología.

Deposición de vapor químico (CVD)

Figura 11: Deposición de vapor químico (CVD)

Se usó un compuesto reactivo de silano, hidrógeno y nitrógeno en un método de depósito de vapor químico (CVD) para producir carburo de silicio (SIC) a temperaturas entre 1073 y 1473 K. Al cambiar la configuración de reacción química, la composición y la dureza del depósitoser controlado.En el proceso de CVD para carburo de silicio, hidrógeno y metiltriclorosilano (MT) se mezclan en una superficie a alta temperatura y baja presión para crear una capa controlada de denso carburo de silicio.

Procedimiento de deposición de vapor químico (CVD):

Prepare tetracloruro de silicio (SICL4) y metano (CH4) como las fuentes químicas primarias;

Coloque el tetracloruro de silicio y el metano en un reactor de alta temperatura;

Caliente el reactor a la temperatura requerida para iniciar reacciones químicas;

El entorno de alta temperatura provoca reacciones entre el tetracloruro de silicio y el metano.Estas reacciones forman carburo de silicio (SIC);

El carburo de silicio se forma y depósitos sobre los sustratos deseados dentro del reactor;

Permita que el reactor y su contenido se enfríen gradualmente;

Extraiga los sustratos o componentes recubiertos.Realice cualquier proceso de acabado para cumplir con las especificaciones finales.

El proceso de Acheson

Figura 12: El proceso de Acheson

La forma más común de hacer SIC es el método Acheson.Edward Goodrich Acheson creó este proceso en 1893 para producir SIC y grafito.Muchas plantas de carburo de silicio han estado utilizando este método desde entonces.

El procedimiento de proceso Acheson:

Mezcle la arena de sílice con Coca -Cola completamente;

Organice la mezcla alrededor de una varilla de grafito central en un horno de resistencia eléctrica;

Caliente el horno a casi 2500 ° C.Mantenga la temperatura para impulsar la reacción química;

El calor intenso hace que la sílice y el carbono reaccionen, formando carburo de silicio;

Permita que el horno se enfríe gradualmente;

Extraiga el carburo de silicio formado del horno;

Proceso adicional el carburo de silicio cuando sea necesario.

Esta tabla proporciona una comparación simplificada de cuatro métodos utilizados para producir carburo de silicio (SIC).Su objetivo es ayudar a comprender las ventajas únicas y los mejores usos de cada técnica de producción.

Método	Ventajas	Mejor Usos
Reacción unida de silicio unida (RBSC)	Hace piezas fuertes y duraderas Bueno para formas complejas Poca deformación	Frase de armadura, boquillas de alto rendimiento
Proceso de lely modificado	Cristales muy puros Estructura perfecta Mejor control sobre el proceso	Semiconductores, computación cuántica
Deposición de vapor químico (CVD)	Incluso composición Alta pureza Puede usar diferentes materiales	Recubrimientos resistentes al desgaste, resistente a la corrosión recubrimientos, industria de semiconductores
El proceso de Acheson	Costo simple y bajo Puede producir grandes cantidades Cristales consistentes de alta calidad	Abrasivos, materiales refractarios

Carburo de silicio (sic) en aplicaciones modernas

En la industria automotriz, especialmente para vehículos eléctricos, SIC mejora el rendimiento del inversor y hace que los sistemas de gestión de baterías sean más pequeños, extendiendo el alcance de los vehículos y los costos de reducción.Goldman Sachs estima que estas mejoras podrían ahorrar alrededor de $ 2,000 por vehículo.

Figura 13: freno de disco de carburo de silicio

En la energía solar, SIC aumenta la eficiencia del inversor, lo que permite velocidades de conmutación más altas, lo que reduce el tamaño y los costos del circuito.Su durabilidad y rendimiento estable lo hacen mejor que los materiales como el nitruro de galio para aplicaciones solares.

Figura 14: SIC para sistemas de energía solar

En las telecomunicaciones, SIC Excelente manejo térmico permite que los dispositivos manejaran las densidades de mayor potencia, mejorando el rendimiento en las estaciones base celular y el apoyo de 5G.Estos avances satisfacen la necesidad de un mejor rendimiento y eficiencia energética en las comunicaciones inalámbricas de próxima generación.

Figura 15: carburo de silicio semiconductor de tercera generación

En entornos industriales, SIC soporta entornos duros y altos voltajes, lo que permite diseños simplificados con menos enfriamiento, mayores eficiencias y menores costos, mejorando el rendimiento del sistema.

Figura 16: fabricación de acero con carburo de silicio

En defensa y aeroespacial, SIC se utiliza en sistemas de radar, vehículos espaciales y electrónica de aeronaves.Los componentes SIC son más ligeros y más eficientes que el silicio, los mejores para las misiones espaciales donde la reducción de los costos de reducción de peso.

Figura 17: Producción y aplicaciones SIC de extremo a extremo

Conclusión

El carburo de silicio (SIC) se está convirtiendo en el material de referencia para muchas aplicaciones de alta demanda debido a sus excelentes propiedades y mejores técnicas de producción.Con su amplio grupo de banda, una gran conductividad térmica y propiedades mecánicas fuertes, SIC es ideal para entornos difíciles que necesitan alta potencia y resistencia al calor.La mirada detallada del artículo a los métodos de producción de SIC muestra cómo los avances en la ciencia de los materiales permiten la personalización de las propiedades de SIC para satisfacer las necesidades industriales específicas.A medida que las industrias avanzan hacia dispositivos más eficientes y compactos, SIC juega un papel en la automoción, la energía solar, las telecomunicaciones y las tecnologías aeroespaciales.Se espera que la investigación continua para reducir los costos y mejorar la calidad de SIC aumente su presencia en el mercado, reforzando su importante papel en el futuro de los materiales semiconductores y las aplicaciones de alto rendimiento.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Quién usa el carburo de silicio?

El carburo de silicio es utilizado por industrias y profesionales que trabajan en electrónica, automotriz, aeroespacial y fabricación.Los ingenieros y técnicos confían en él por su durabilidad y eficiencia en entornos de alto estrés.

2. ¿Para qué se usa el semiconductor de carburo de silicio?

Los semiconductores de carburo de silicio se utilizan para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura.Se utiliza en dispositivos de energía para vehículos eléctricos para administrar la energía de manera eficiente, y en diodos y transistores que se encuentran en tecnologías de energía renovable y aplicaciones de alta potencia como los sistemas ferroviarios.

3. ¿Cuál es la aplicación de Silicon Carbide SIC?

Las aplicaciones de carburo de silicio (sic) incluyen:

Power Electronics: conversión y gestión de energía eficientes.

Vehículos eléctricos: mejor rendimiento y rango.

Inversores solares: aumento de la producción de energía y confiabilidad.

Aeroespacial: componentes de alta temperatura y de alto estrés.

Equipo industrial: piezas fuertes y duraderas.

4. ¿Qué productos están hechos de carburo de silicio?

Los productos hechos de carburo de silicio van desde semiconductores y dispositivos electrónicos hasta abrasivos, herramientas de corte y elementos de calefacción.También se usa en armadura y equipo de protección debido a su dureza y resistencia térmica.

5. ¿Dónde se produce el carburo de silicio?

El carburo de silicio se produce en instalaciones especializadas, principalmente en los Estados Unidos, China y Europa.Las empresas operan hornos de alta temperatura para sintetizar SIC a partir de materias primas como arena de cuarzo y Coca-Cola de petróleo.

6. ¿Cuál es la diferencia entre el silicio y el carburo de silicio?

La diferencia entre el silicio y el carburo de silicio radica en sus propiedades y aplicaciones.El silicio es un elemento puro utilizado en dispositivos semiconductores estándar y paneles solares, mientras que el carburo de silicio es un compuesto conocido por su dureza, alta conductividad térmica y capacidad para operar a mayores voltajes y temperaturas.Esto hace que SIC sea ideal para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura, donde el silicio fallaría.