בית בלוג~~סיליקון קרביד נחשף: מאפיינים, שיטות ויישומים~~

~~ב- 2024/07/5~~

סיליקון קרביד נחשף: מאפיינים, שיטות ויישומים

מאמר זה בוחן את התכונות הייחודיות של SIC, כולל מבנהו, עמידות בפני חום, יציבות כימית וכוח מכני, מה שהופך אותו לטוב יותר מחומרים מסורתיים כמו סיליקון, גליום ניטריד וגרמניום.זה בודק גם דרכים שונות מיוצר SIC כמו תהליך Acheson, תצהיר אדים כימי ותהליך Lely שהשתנה וכיצד שיטות אלה משפרות את טוהר וביצועיו למטרות תעשייתיות.המאמר משווה גם את המאפיינים החשמליים, התרמיים והמכניים של SIC עם מוליכים למחצה אחרים, ומדגיש את השימוש הגובר שלו בשווקים הזקוקים לצפיפות כוח גבוהה, יעילות תרמית ועמידות.

קָטָלוֹג

1. תכונות סיליקון קרביד (SIC)

2. מאפיינים של סיליקון קרביד מסוג N ו- P-Type (SIC)

3. מדוע העדיף סיליקון קרביד (SIC)?

4. הכנת סיליקון קרביד (SIC)

5. סיליקון קרביד (SIC) ביישומים מודרניים

6. מסקנה

A Closeup of a Woman's Hand Holding a Silicon Carbide (SiC) crystal (aka Carborundum or Moissanite)

איור 1: מקרוב של ידה של אישה אוחזת קריסטל סיליקון קרביד (SIC) (AKA Carborundum או Moissanite)

תכונות סיליקון קרביד (SIC)

Silicon Carbide in Petri Dish

איור 2: קרביד סיליקון בפטרי

הצורה הנפוצה ביותר של סיליקון קרביד היא אלפא סיליקון קרביד (α-SIC).זה נוצר בטמפרטורות מעל 1,700 מעלות צלזיוס ובעל צורת קריסטל משושה כמו וורציט.כאשר הטמפרטורה היא מתחת ל -1,700 מעלות צלזיוס, נוצר בטא סיליקון קרביד (β-SIC).לגרסה זו מבנה גבישי דומה לזה של יהלום.

Alpha Silicon Carbide (α-SiC)

איור 3: קרביד אלפא סיליקון (α-SIC)

Beta Silicon Carbide (β-SiC)

איור 4: בטא סיליקון קרביד (β-SIC)

The Mohs Hardness Scale

איור 5: סולם קשיות MOHS

סיליקון קרביד הוא אחד החומרים הקשים ביותר אחרי היהלום, עם קשיות MOHS של בערך 9 עד 9.5. קשיות הקנופ שלה יכולה להשתנות בהתאם לצורתו וטהרתו, אך בדרך כלל היא גבוהה מאוד, לרוב בין 2,480 ל -3,000 ק"ג/מ"מ².

סיליקון קרביד יכול לעמוד בלחץ גבוה מאוד, לעיתים קרובות מעל 3,000 מגה מגה, בעל חוזק כיפוף גבוה, בדרך כלל בין 400 ל 500 מגה -פ"ס, ויש לו כוח משיכה טוב, בין 250 ל 410 מגה -פה.

קַשִׁיוּת שיטות בדיקה	מִבְחָן טווח ערך	ספֵּצִיפִי ערכים (קרביד סיליקון שחור)	ספֵּצִיפִי ערכים (קרביד סיליקון ירוק)
קשיות ברינל	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
קשיות ויקרס	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
קשיות רוקוול	-	83-87 HRA	87-92 HRA
קשיות של מוהס	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC מוליך חום היטב, עם תרמי מוליכות של בערך 120 וואט/מ"ק, מה שהופך אותו נהדר עבור ניהול חום באלקטרוניקה.בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס הוא מוליך חום בערך 0.41 וואט סנטימטר לכל מעלות צלזיוס (w/cm ° C).אבל כשהטמפרטורה עולה ל 1000 מעלות צלזיוס, הולכת החום שלה יורדת לסביבות 0.21 W/ס"מ ° C.

יתר על כן, סיליקון קרביד (SIC) מושפע במהירות מרוב המתכות, נמס תחמוצת המתכת וממסה אלקליין, אך הוא אינו מתמוסס בחומצות או בבסיסים.הזיהומים בסיליקון טכני קרביד כוללים בדרך כלל פחמן חופשי (C) וסיליקון דו חמצני (SIO2), עם כמויות קטנות של סיליקון (SI), ברזל (FE), אלומיניום (AL) וסידן (CA).המשקל המולקולרי של SIC הוא 40.096.SIC טהור עשוי 70.05% סיליקון (SI) ו- 29.95% פחמן (C).

Silicon Carbide (SiC) Chemical Structure

איור 6: מבנה כימי של סיליקון קרביד (SIC)

Silicon Carbide (SiC) Chemical Structure

איור 7: מבנה כימי של סיליקון קרביד (SIC)

תכונות של סוג N ו- P-Type Carbide (SIC)

סיליקון קרביד מסוג N (SIC)

סיליקון קרביד (SIC) הוא חומר קשוח המשמש ביישומי לחץ גבוה מכיוון שהוא מטפל בחום היטב והוא חזק מאוד.כדי ליצור SIC מסוג N, מתווספים זיהומים, תהליך שנקרא סמים, המשנה את תכונותיו החשמליות.אלמנטים כמו חנקן או זרחן, שיש להם יותר אלקטרונים של ערכיות מאשר סיליקון, מתווספים כדי להגדיל את מספר האלקטרונים החופשיים במבנה SIC.זה יוצר חומר טעון שלילי, או "סוג N".

האלקטרונים החופשיים הללו משפרים מאוד את המוליכות החשמלית של SIC.ב- SIC מסוג N, אלקטרונים יכולים לנוע ביתר קלות בהשוואה ל- SIC טהור, שם תנועתם מוגבלת.תנועת אלקטרונים טובה יותר זו הופכת את SIC מסוג N לאידיאלי לאלקטרוניקה חשמל ומכשירים בתדר גבוה שבהם זרימת האלקטרונים המהירה והיעילה.בעוד ש- N-SIC מסוג N יש מוליכות טובה יותר, היא אינה מוליכה חשמל כמו גם מתכות, תוך שמירה על תכונותיו המוליכות למחצה.איזון זה מאפשר שליטה מדויקת על זרימת האלקטרונים במכשירים אלקטרוניים שונים.

P-type סיליקון קרביד (SIC)

סיליקון קרביד (SIC) מסוג P פועל באופן שונה מגרסת ה- N שלה.סמים מסוג P כוללת הוספת אלמנטים כמו בורון או אלומיניום, שיש להם פחות אלקטרונים ערכיים מאשר סיליקון.זה יוצר "חורים" או מרחבים שבהם חסרים אלקטרונים, מעניקים לחומר מטען חיובי והופך אותו ל"סוג P ".חורים אלה עוזרים לשאת זרם חשמלי בכך שהם מאפשרים למטענים חיוביים לנוע.

מדוע העדיף סיליקון קרביד (SIC)?

Semiconductor Materials

איור 8: חומרים מוליכים למחצה

הטבלה שלהלן מציגה השוואה מפורטת של ארבעה חומרים מוליכים למחצה: סיליקון (SI), גליום ניטריד (GAN), גרמניום (GE) וסיליקון קרביד (SIC).ההשוואה מאורגנת לקטגוריות שונות.

אַספֶּקט	סִילִיקוֹן (סִי)	גליום ניטריד (GAN)	גרמניום (Ge)	סִילִיקוֹן קרביד (SIC)
תכונות חשמליות	תהליכים בוגרים, פס של 1.1 eV, מוגבלת בעוצמה גבוהה/תדר	ניידות אלקטרונים גבוהה, 3.4 EV פס פס, יישומי עוצמה/תדר גבוהה	ניידות אלקטרונים גבוהה, 0.66 EV Bandgap, High דְלִיפָה	פס פס רחב של 3.2 eV, יעיל ב- High מתחים/טמפ ', דליפה נמוכה
תכונות תרמיות	מוליכות תרמית בינונית, יכולה להגביל שימושים בעלי עוצמה גבוהה	טוב יותר מסיליקון אך דורש מתקדם הִתקָרְרוּת	מוליכות תרמית נמוכה יותר מסיליקון	מוליכות תרמית גבוהה, חום יעיל בִּזבּוּז
תכונות מכניות	שביר, מספיק לרוב השימושים	שביר, נוטה לפיצוח על לא תואם מצעים	שביר יותר מסיליקון	קשה, חזק, מתאים לדיקות גבוהה יישומים
אימוץ שוק	דומיננטי עקב תשתיות מבוססות ועלות נמוכה	פופולרי בטלקום ובהגנה, מוגבל על ידי עלות גבוהה	מוגבל בגלל נכסים פחות חיוביים	צפיפות כוח גבוהה, פעולת טמפ גבוהה, יעילות, עמידות, הפחתת עלויות שוטפת

הכנת סיליקון קרביד (SIC)

כדי להכין קרביד סיליקון, בדרך כלל אתה מחמם חול סיליקה וחומרים עשירים בפחמן כמו פחם לכמעט 2500 מעלות צלזיוס.זה נותן לך סיליקון כהה יותר קרביד עם כמה זיהומים ברזל ופחמן.ניתן לסנתז את סיליקון קרביד באמצעות ארבע שיטות עיקריות, לכל אחת מהן יתרונות מובחנים המותאמים לשימושים מסוימים.שיטות אלה כוללות:

תגובה סיליקון קרביד (RBSC)

קרביד סיליקון קשור לתגובה (RBSC) מיוצר מתערובת מעורבת דק של קרביד סיליקון ופחמן.התערובת מחוממת לטמפרטורה גבוהה ונחשפת לסיליקון נוזלי או אדים.הסיליקון והפחמן מגיבים ליצירת יותר קרביד סיליקון, והסיליקון ממלא כל נקבוביות שאריות.כמו סיליקון ניטריד קשור לתגובה (RBSN), RBSC משנה מעצבת מעט מאוד במהלך הסינון.כאשר מוצרים אלה מגיעים לנקודת ההיתוך של הסיליקון, הם נשארים כמעט חזקים כמו שהיו בעבר.RBSC פופולרי בתעשיית הקרמיקה מכיוון שהוא חסכוני וניתן לעצב אותו לעיצובים מורכבים.

Reaction Bonded Silicon Carbide

איור 9: סיליקון קשור לתגובה קרביד

נוהל תגובה סיליקון קרביד (RBSC):

שלב חלקיקי סיליקון קרביד גסים עם סיליקון ופלסטייזרים.מערבבים עד להשגת תערובת אחידה;

מכם את התערובת לצורות והצורות הרצויות.להבטיח דיוק בגיאומטריה כדי להתאים למפרטים הסופיים;

הניחו את היצירות המעוצבות בכבשן בטמפרטורה גבוהה.חום לטמפרטורה הגורמת לתגובה בין חלקיקי הסיליקון והסיליקון קרביד;

הסיליקון מגיב עם קרביד הסיליקון, מתקשר למטריקס ומגביר את הכוח והעמידות;

אפשר לחתיכות להתקרר בהדרגה לטמפרטורת החדר;

ללטש את החלקים המקוררים כדי לעמוד במפרטים מדויקים ולשפר את גימור פני השטח.

תהליך LELY שונה

Modified Lely Process

איור 10: תהליך Lely שונה

השיטה, שנוצרה בשנת 1978 על ידי Tairov ו- Tsvetkov, נקראת גם שיטת ה- Modified-Leal.תהליך ה- LELY שהשתנה משפר את הסינתזה של גבישי סיליקון קרביד.זה כרוך בחימום ואז קירור אבקת SIC במיכל סגור למחצה, ומאפשר לו ליצור גבישים על זרע שנשמר בטמפרטורה מעט יותר קרירה.

נוהל תהליכי LELY שונה:

מערבבים ביסודיות אבקות סיליקון ופחמן.הניחו את התערובת בכור היתוך גרפיט;

הניחו את כור היתוך בכבשן.חום לכ- 2000 מעלות צלזיוס בוואקום או בסביבת גז אינרטי למניעת חמצון;

תערובת הסיליקון קרביד סובלימצית, משתנה ממוצק לגז.

אדי סיליקון קרביד מפקידים על מוט גרפיט ממוקם במרכז.גבישים בודדים SIC בעלי טוהר נוצרים על המוט.

קורר בזהירות את המערכת לטמפרטורת החדר.

חלץ את גבישי סיליקון קרביד טוהר גבוה ממוט הגרפיט לשימוש ביישומי היי-טק.

תצהיר אדי כימי (CVD)

Chemical Vapor Deposition (CVD)

איור 11: תצהיר אדי כימי (CVD)

תרכובת סילאן תגובית, מימן וחנקן שימשו בשיטה בתצהיר אדי כימי (CVD) לייצור סיליקון קרביד (SIC) בטמפרטורות שבין 1073 ל- 1473 K. על ידי שינוי הגדרות התגובה הכימית, האיפור והקשירות של הפיקדון יכוליםלהיות נשלט.בתהליך ה- CVD של קרביד סיליקון, מימן ומתיל-טריכלורוסילן שבור (MTS) מעורבבים על משטח בטמפרטורה גבוהה ולחץ נמוך ליצירת שכבה מבוקרת של קרביד סיליקון צפוף.

נוהל תצהיר אדי כימי (CVD):

הכינו טטרכלוריד סיליקון (SICL4) ואת מתאן (CH4) כמקורות הכימיים העיקריים;

הכניסו את הטטרכלוריד הסיליקון והמתאן לכור בטמפרטורה גבוהה;

לחמם את הכור לטמפרטורה הנדרשת כדי ליזום תגובות כימיות;

הסביבה בטמפרטורה גבוהה גורמת לתגובות בין סיליקון טטרכלוריד למתאן.תגובות אלה יוצרים סיליקון קרביד (SIC);

הסיליקון קרביד נוצר ומפקדים על המצעים הרצויים בתוך הכור;

אפשר לכור ולתוכנו להתקרר בהדרגה;

חלץ את המצעים המצופים או הרכיבים.ערכו תהליכי גימור כדי לעמוד במפרט הסופי.

תהליך אחסון

The Acheson Process

איור 12: תהליך אחסון

הדרך הנפוצה ביותר להפוך את SIC היא שיטת Acheson.אדוארד גודריץ 'אחסון יצר תהליך זה בשנת 1893 כדי לייצר SIC וגרפיט.צמחי סיליקון קרביד רבים משתמשים בשיטה זו מאז.

נוהל תהליך אחסון:

מערבבים ביסודיות חול סיליקה עם קולה;

מסדרים את התערובת סביב מוט גרפיט מרכזי בכבשן התנגדות חשמלי;

מחממים את הכבשן לכמעט 2500 מעלות צלזיוס.לשמור על הטמפרטורה כדי להניע את התגובה הכימית;

החום העז גורם לסיליקה והפחמן להגיב ויוצרים קרביד סיליקון;

אפשר לתנור להתקרר בהדרגה;

לחלץ את קרביד הסיליקון הנוצר מהתנור;

לעבד עוד יותר את קרביד הסיליקון בכל עת נדרש.

טבלה זו מספקת השוואה מפושטת של ארבע שיטות המשמשות לייצור סיליקון קרביד (SIC).מטרתו לעזור להבין את היתרונות הייחודיים ואת השימושים הטובים ביותר בכל טכניקת ייצור.

שִׁיטָה	יתרונות	טוֹב בִּיוֹתֵר שימושים
תגובה סיליקון קרביד (RBSC)	עושה חלקים חזקים ועמידים טוב לצורות מורכבות עיוות קטן	ציפוי שריון, חרירי ביצועים גבוהים
תהליך LELY שונה	גבישים טהורים מאוד מבנה מושלם שליטה טובה יותר על התהליך	מוליכים למחצה, מחשוב קוונטי
תצהיר אדי כימי (CVD)	אפילו קומפוזיציה טוהר גבוה יכול להשתמש בחומרים שונים	ציפויים עמידים בלאי, עמידים בפני קורוזיה ציפויים, ענף מוליכים למחצה
תהליך אחסון	עלות פשוטה ונמוכה יכול לייצר כמויות גדולות גבישים עקביים ואיכותיים	שוחקים, חומרים עקשן

סיליקון קרביד (SIC) ביישומים מודרניים

בענף הרכב, במיוחד עבור כלי רכב חשמליים, SIC משפר את ביצועי המהפך והופך את מערכות ניהול הסוללות לקטנות יותר, ומרחיבות את טווח הרכב ועלויות החיתוך.גולדמן זקס מעריך כי שיפורים אלה עשויים לחסוך כ -2,000 דולר לרכב.

Silicon Carbide Disk Brake

איור 13: בלם דיסק סיליקון קרביד

בעוצמה סולארית, SIC מגדיל את יעילות המהפך, ומאפשר מהירויות מיתוג גבוהות יותר, מה שמקטין את גודל המעגל והעלויות.העמידות והביצועים היציבים שלה הופכים אותו לטובים יותר מחומרים כמו גליום ניטריד ליישומים סולאריים.

SiC for Solar Energy Systems

איור 14: SIC למערכות אנרגיה סולארית

בתקשורת, SIC ניהול תרמי מצוין מאפשר למכשירים להתמודד עם צפיפות כוח גבוהה יותר, לשפר את הביצועים בתחנות בסיס סלולרי ולתמוך בהפצת 5G.התקדמות זו עונה על הצורך בביצועים טובים יותר ויעילות אנרגטית בתקשורת אלחוטית מהגנים הבא.

Third-Generation Semiconductor Silicon Carbide

איור 15: הדור השלישי מוליך למחצה סיליקון קרביד

במסגרות תעשייתיות, SIC עומדת בסביבות קשות ומתחים גבוהים, ומאפשרת עיצובים יעילים עם פחות קירור, יעילות גבוהה יותר ועלויות נמוכות יותר, ומשפרות את ביצועי המערכת.

Steel Making with Silicon Carbide

איור 16: ייצור פלדה עם סיליקון קרביד

בהגנה ובחלל, SIC משמשת במערכות מכ"ם, רכבי חלל ואלקטרוניקה של מטוסים.רכיבי SIC הם קלים ויעילים יותר מסיליקון, הטובים ביותר למשימות חלל בהן הפחתת עלויות משקל.

End-to-End SiC Production and Applications

איור 17: ייצור ויישומים של SIC מקצה לקצה

מַסְקָנָה

סיליקון קרביד (SIC) הופך לחומר ההולך עבור יישומים רבים לפי דרישה גבוהה בגלל תכונותיו המצוינות ושיפור טכניקות הייצור.עם מחלת הלהקה הרחבה שלו, מוליכות תרמית נהדרת ותכונות מכניות חזקות, SIC הוא אידיאלי לסביבות קשות הזקוקים לעמידות גבוהה ועמידות בחום.המבט המפורט של המאמר על שיטות הייצור של SIC מראה כיצד ההתקדמות במדע החומרים מאפשרת התאמה אישית של נכסי SIC כדי לענות על צרכים תעשייתיים ספציפיים.ככל שהתעשיות עוברות לעבר מכשירים יעילים וקומפקטיים יותר, SIC ממלאים תפקיד בטכנולוגיות רכב, כוח סולארי, טלקומוניקציה וטכנולוגיות אוויריות.מחקר שוטף להפחתת עלויות ושיפור איכות SIC צפוי להגדיל את נוכחות השוק שלה, ולחזק את תפקידה החשוב בעתיד של חומרים מוליכים למחצה ויישומים בעלי ביצועים גבוהים.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. מי משתמש בסיליקון קרביד?

סיליקון קרביד משמש תעשיות ואנשי מקצוע העובדים באלקטרוניקה, רכב, תעופה וחלל וייצור.מהנדסים וטכנאים סומכים עליו על עמידותו ויעילותו בסביבות לחץ גבוה.

2. למה משמש מוליכים למחצה סיליקון קרביד?

מוליכים למחצה של סיליקון קרביד משמשים ליישומים בעלי עוצמה גבוהה וטמפרטורה גבוהה.הוא משמש במכשירי חשמל לרכבים חשמליים לניהול כוח ביעילות, ובדיודות ובטרנזיסטורים שנמצאים בטכנולוגיות אנרגיה מתחדשת ויישומים בעלי עוצמה גבוהה כמו מערכות רכבת.

3. מה היישום של סיליקון קרביד SIC?

יישומים של סיליקון קרביד (SIC) כוללים:

חשמל אלקטרוניקה: המרת וניהול יעילה של כוח.

רכבים חשמליים: ביצועים וטווח משופרים.

ממירים סולאריים: תפוקת אנרגיה מוגברת ואמינות.

תעופה וחלל: רכיבים בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה.

ציוד תעשייתי: חלקים חזקים וארוכי טווח.

4. אילו מוצרים מיוצרים מסיליקון קרביד?

מוצרים העשויים מסיליקון קרביד נעים בין מוליכים למחצה ומכשירים אלקטרוניים ועד שוחקים, כלי חיתוך ואלמנטים חימומיים.הוא משמש גם בציוד שריון ומגן בגלל קשיותו והתנגדותו התרמית.

5. היכן מייצר קרביד סיליקון?

סיליקון קרביד מיוצר במתקנים מיוחדים, בעיקר בארצות הברית, China ובאירופה.חברות מפעילות תנורים בטמפרטורה גבוהה כדי לסנתז את SIC מחומרי גלם כמו חול קוורץ וקולה נפט.

6. מה ההבדל בין סיליקון לסיליקון קרביד?

ההבדל בין סיליקון לסיליקון קרביד טמון בתכונות וביישומים שלהם.סיליקון הוא אלמנט טהור המשמש במכשירי מוליכים למחצה סטנדרטיים ופאנלים סולאריים, ואילו סיליקון קרביד הוא תרכובת הידועה בזכות קשיותו, מוליכות תרמית גבוהה ויכולת לפעול במתחים וטמפרטורות גבוהות יותר.זה הופך את SIC לאידיאלי ליישומים בעלי עוצמה גבוהה וטמפרטורה גבוהה, שבהם הסיליקון ייכשל.

אנא עיין בגרסה האנגלית כגרסה הרשמית שלנו.

סיליקון קרביד נחשף: מאפיינים, שיטות ויישומים

קָטָלוֹג

תכונות סיליקון קרביד (SIC)