Silikon Karbür Açıklandı: Özellikler, Yöntemler ve Uygulamalar

Bu makale, silikon, galyum nitrür ve germanyum gibi geleneksel malzemelerden daha iyi hale getiren yapısı, ısı direnci, kimyasal stabilitesi ve mekanik mukavemet dahil olmak üzere SIC'nin benzersiz niteliklerini araştırmaktadır.Aynı zamanda SIC'nin Acheson süreci, kimyasal buhar birikimi ve değiştirilmiş LELLE süreci ve bu yöntemlerin endüstriyel amaçlar için saflığını ve performansını nasıl geliştirdiğini farklı şekilde üretir.Makale ayrıca SIC'nin elektrik, termal ve mekanik özelliklerini diğer yarı iletkenlerle karşılaştırarak, yüksek güç yoğunluğu, termal verimlilik ve dayanıklılık gerektiren pazarlarda artan kullanımını vurgulamaktadır.

Katalog

Şekil 1: Silikon karbür (sic) kristal (aka carborundum veya moissanit) tutan bir kadının elinin yakınlığı

Silikon karbür (sic) özellikleri

Şekil 2: Petri kabında silikon karbür

En yaygın silikon karbür şekli alfa silikon karbürdür (a-sic).1.700 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşur ve wurtzit gibi altıgen bir kristal şekle sahiptir.Sıcaklık 1.700 ° C'nin altında olduğunda, beta silikon karbür (β-sic) üretilir.Bu versiyonda bir elmasınkine benzer bir kristal yapıya sahiptir.

Şekil 3: Alfa silikon karbür (α-sic)

Şekil 4: Beta Silikon Karbür (β-SIC)

Şekil 5: MOHS sertlik ölçeği

Silikon karbür, MOHS sertliği yaklaşık 9 ila 9.5 ile elmastan sonra en zor malzemelerden biridir. Knoop sertliği formuna ve saflığına göre değişebilir, ancak genellikle çok yüksektir, genellikle 2.480 ila 3.000 kg/mm² arasında.

Silikon karbür, genellikle 3.000 MPa'nın üzerinde çok yüksek basınca dayanabilir, genellikle 400 ila 500 MPa arasında yüksek bükülme mukavemeti vardır ve 250 ila 410 MPa arasında iyi bir çekme mukavemeti vardır.

Sertlik Test yöntemleri	Test Değer aralığı	Özel Değerler (siyah silikon karbür)	Özel Değerler (yeşil silikon karbür)
Brinell sertliği	2400-2800 hbs	2400-2600 hbs	2600-2800 hbs
Vickers sertliği	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell sertliği	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs sertliği	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic, termal ile ısıyı iyi yönetir yaklaşık 120 w/mk iletkenlik, Elektronikte ısıyı yönetme.20 ° C'de, yaklaşık 0.41 watt'ta ısı yapar Santigrat derecesi başına yüzde santimetre (cm ° C).Ama sıcaklık yükseldiğinde 1000 ° C, ısı iletimi yaklaşık 0.21 w/cm ° C'ye düşer.

Ayrıca, silikon karbür (sic) çoğu metalden, metal oksit eriyiklerinden ve alkalin eriyiklerinden hızla etkilenir, ancak asitler veya bazlarda çözülmez.Teknik silikon karbürdeki safsızlıklar genellikle az miktarda silikon (SI), demir (Fe), alüminyum (AL) ve kalsiyum (CA) ile serbest karbon (C) ve silikon dioksit (SIO2) içerir.SIC'nin moleküler ağırlığı 40.096'dır.Saf SIC,% 70.05 silikon (SI) ve% 29.95 karbondan (C) yapılır.

Şekil 6: Silikon karbür (sic) kimyasal yapı

Şekil 7: Silikon karbür (sic) kimyasal yapı

N-tipi ve P tipi silikon karbürün özellikleri (sic)

N tipi silikon karbür (sic)

Silikon karbür (sic), ısıyı iyi işlediği ve çok güçlü olduğu için yüksek stresli uygulamalarda kullanılan sert bir malzemedir.N tipi sic yapmak için, elektriksel özelliklerini değiştiren doping adı verilen bir süreç olan safsızlıklar eklenir.SIC yapısındaki serbest elektron sayısını artırmak için silikondan daha fazla değerlik elektronuna sahip azot veya fosfor gibi elemanlar eklenir.Bu, negatif yüklü veya "n tipi" bir malzeme yaratır.

Bu serbest elektronlar SIC'nin elektrik iletkenliğini büyük ölçüde geliştirir.N tipi sic'te, elektronlar hareketlerinin sınırlı olduğu saf sic ile karşılaştırıldığında daha kolay hareket edebilir.Bu daha iyi elektron hareketi, N tipi SIC'yi hızlı ve verimli elektron akışında güç elektroniği ve yüksek frekanslı cihazlar için ideal hale getirir.N-tipi SIC daha iyi iletkenliğe sahip olsa da, yarı iletken özelliklerini koruyarak metallerin yanı sıra elektrik de yapmaz.Bu denge, çeşitli elektronik cihazlarda elektron akışının hassas kontrolünü sağlar.

P tipi silikon karbür (sic)

P tipi silikon karbür (sic), N tipi versiyonundan farklı çalışır.P tipi doping, silikondan daha az değerlik elektronuna sahip bor veya alüminyum gibi elementlerin eklenmesini içerir.Bu, elektronların eksik olduğu "delikler" veya boşluklar yaratır, malzemeye pozitif bir yük verir ve onu "P-Tipi" haline getirir.Bu delikler, pozitif yüklerin hareket etmesine izin vererek elektrik akımının taşınmasına yardımcı olur.

Neden silikon karbür (sic) tercih edildi?

Şekil 8: Yarı iletken malzemeler

Aşağıdaki tablo, dört yarı iletken malzemenin ayrıntılı bir karşılaştırmasını sunmaktadır: silikon (SI), galyum nitrür (GAN), Germanyum (GE) ve silikon karbür (sic).Karşılaştırma farklı kategoriler halinde düzenlenmiştir.

Bakış açısı	Silikon (Si)	Galyum Nitrür (Gan)	Germanyum (GE)	Silikon Karbür (sic)
Elektriksel Özellikler	Olgun süreçler, 1.1 eV bant aralığı, sınırlı yüksek güçlü/frekansta	Yüksek elektron hareketliliği, 3.4 eV bant boşluğu, Yüksek güçlü/frekans uygulamaları	Yüksek elektron hareketliliği, 0.66 eV bant boşluğu, yüksek sızıntı	Yüksekte verimli 3.2 eV geniş bant aralığı Voltajlar/sıcaklıklar, düşük sızıntı
Termal özellikler	Orta termal iletkenlik, sınırlayabilir Yüksek Güç Kullanımları	Silikondan daha iyi ama gelişmiş gerektirir soğutma	Silikondan daha düşük termal iletkenlik	Yüksek termal iletkenlik, etkili ısı dağılma
Mekanik Özellikler	Kırılgan, çoğu kullanım için yeterli	Kırılgan, uyumsuzlukla çatlamaya eğilimli substratlar	Silikondan daha kırılgan	Sert, güçlü, yüksek sürüklenebilirlik için uygun başvuru
Pazarın benimsenmesi	Yerleşik altyapı nedeniyle baskın ve düşük maliyetli	Telekom ve savunmada popüler, sınırlı yüksek maliyet	Daha az uygun mülkler nedeniyle sınırlı	Yüksek güç yoğunluğu, yüksek sıcaklık işlemi, Verimlilik, dayanıklılık, devam eden maliyet azaltma

Silikon Karbür Yapımı (sic)

Silikon karbür yapmak için genellikle silika kumu ve kömür gibi karbon bakımından zengin eşyaları neredeyse 2500 santigrat dereceye kadar ısıtırsınız.Bu size bazı demir ve karbon safsızlıkları ile daha koyu silikon karbür verir.Silikon karbür, her biri belirli kullanımlar için tasarlanmış farklı faydalara sahip dört ana yöntemle sentezlenebilir.Bu yöntemler şunları içerir:

Reaksiyon Bağlı Silikon Karbür (RBSC)

Reaksiyon bağlı silikon karbür (RBSC), ince karışık bir silikon karbür ve karbon karışımından yapılır.Karışım yüksek bir sıcaklığa ısıtılır ve sıvı veya buhar silikonuna maruz kalır.Silikon ve karbon daha fazla silikon karbür oluşturmak için reaksiyona girer ve silikon artık gözenekleri doldurur.Reaksiyon bağlı silikon nitrür (RBSN) gibi, RBSC değişim sırasında şekil değiştirir.Bu ürünler silikonun erime noktasına ulaştığında, neredeyse eskisi kadar güçlü kalırlar.RBSC seramik endüstrisinde popülerdir, çünkü uygun maliyetlidir ve karmaşık tasarımlara dönüştürülebilir.

Şekil 9: Reaksiyon bağlı silikon karbür

Reaksiyon bağlı silikon karbür (RBSC) prosedürü:

Kaba silikon karbür parçacıklarını silikon ve plastikleştiricilerle birleştirin.Düzgün bir karışım elde edilene kadar karıştırın;

Karışımı istenen şekillere ve formlara dönüştürün.Geometride nihai spesifikasyonlara uyacak şekilde hassasiyet sağlamak;

Şekillendirilmiş parçaları yüksek sıcaklıkta bir fırına yerleştirin.Silikon ve silikon karbür parçacıkları arasında bir reaksiyona neden olan bir sıcaklığa ısı;

Silikon silikon karbür ile reaksiyona girer, matrise bağlanır ve güç ve dayanıklılık artan;

Parçaların oda sıcaklığına kademeli olarak soğumasına izin verin;

Tam spesifikasyonları karşılamak ve yüzey kaplamasını geliştirmek için soğutulmuş parçaları cilalayın.

Modifiye konfoz süreci

Şekil 10: Modifiye edilmiş konfoz süreci

1978 yılında Tairov ve Tsvetkov tarafından oluşturulan yönteme, değiştirilmiş-lely yöntem olarak da adlandırılır.Modifiye edilmiş Lely süreci, silikon karbür kristallerinin sentezini geliştirir.Bir SIC tozunun yarı kaplanmış bir kapta ısıtılmasını ve daha sonra soğutulmasını içerir, bu da biraz daha serin bir sıcaklıkta tutulan bir tohum üzerinde kristaller oluşturmasına izin verir.

Modifiye Konuş Süreç Prosedürü:

Silikon ve karbon tozlarını iyice karıştırın.Karışımı bir grafit potasına yerleştirin;

Pota bir fırına yerleştirin.Oksidasyonu önlemek için bir vakum veya inert gaz ortamında yaklaşık 2000 ° C'ye ısı;

Silikon karbür karışımı, katıdan bir gaza geçerek yüceltilir.

Silikon karbür buharları merkezi olarak konumlandırılmış bir grafit çubuğa birikir.Çubuk üzerinde yüksek saflıkta sic tek kristaller oluşur.

Sistemi oda sıcaklığına dikkatlice soğutun.

Yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılmak üzere yüksek saflıkta silikon karbür kristallerini grafit çubuğundan çıkarın.

Kimyasal buhar birikimi (CVD)

Şekil 11: Kimyasal buhar birikimi (CVD)

1073 ve 1473 K arasındaki sıcaklıklarda silikon karbür (sic) üretmek için bir kimyasal buhar birikimi (CVD) yönteminde reaktif bir silan bileşiği, hidrojen ve azot kullanıldı.kontrol edilmek.Silikon karbür için CVD işleminde, hidrojen ve parçalanmış metiltriklorosilan (MTS), yoğun bir silikon karbür tabakası oluşturmak için yüksek sıcaklıkta ve düşük basınçta bir yüzey üzerinde karıştırılır.

Kimyasal buhar birikimi (CVD) Prosedürü:

Birincil kimyasal kaynaklar olarak silikon tetraklorür (SICL4) ve metan (CH4) hazırlayın;

Silikon tetraklorür ve metanı yüksek sıcaklık reaktörüne yerleştirin;

Kimyasal reaksiyonları başlatmak için reaktörün gerekli sıcaklığa ısıtın;

Yüksek sıcaklık ortam, silikon tetraklorür ve metan arasında reaksiyonlara neden olur.Bu reaksiyonlar silikon karbür (sic) oluşturur;

Silikon karbür, reaktör içindeki istenen substratlara oluşur ve birikintiler;

Reaktörün ve içeriğinin kademeli olarak soğumasına izin verin;

Kaplanmış substratları veya bileşenleri çıkarın.Nihai spesifikasyonları karşılamak için herhangi bir bitirme işlemi yapın.

Acheson süreci

Şekil 12: Acheson süreci

SIC yapmanın en yaygın yolu Acheson yöntemidir.Edward Goodrich Acheson bu süreci 1893'te sic ve grafit üretmek için yarattı.Birçok silikon karbür bitkisi bu yöntemi o zamandan beri kullanıyor.

Acheson süreç prosedürü:

Silika kumu kola ile iyice karıştırın;

Karışımı bir elektrik direnci fırında merkezi bir grafit çubuğun etrafında düzenleyin;

Fırını yaklaşık 2500 ° C'ye ısıtın.Kimyasal reaksiyonu yönlendirmek için sıcaklığı koruyun;

Yoğun ısı, silis ve karbonun reaksiyona girmesine neden olur ve silikon karbür oluşturur;

Fırının kademeli olarak soğumasına izin verin;

Oluşturulan silikon karbürü fırından çıkarın;

Gerektiğinde silikon karbürü daha da işleyin.

Bu tablo, silikon karbür (sic) üretmek için kullanılan dört yöntemin basitleştirilmiş bir karşılaştırmasını sağlar.Her üretim tekniğinin benzersiz avantajlarını ve en iyi kullanımlarını anlamaya yardımcı olmayı amaçlamaktadır.

Yöntem	Avantajlar	En iyi Kullanma
Reaksiyon Bağlı Silikon Karbür (RBSC)	Güçlü, dayanıklı parçalar yapar Karmaşık şekiller için iyi Küçük deformasyon	Zırh kaplama, yüksek performanslı nozullar
Modifiye konfoz süreci	Çok saf kristaller Mükemmel Yapı Süreç üzerinde daha iyi kontrol	Yarı iletkenler, kuantum bilgi işlem
Kimyasal buhar birikimi (CVD)	Hatta kompozisyon Yüksek saflık Farklı malzemeler kullanabilir	Aşınmaya dayanıklı kaplamalar, korozyona dayanıklı Kaplamalar, yarı iletken endüstrisi
Acheson süreci	Basit ve düşük maliyetli Büyük miktarlar üretebilir Tutarlı, yüksek kaliteli kristaller	Aşındırıcılar, refrakter malzemeler

Modern uygulamalarda silikon karbür (sic)

Otomotiv endüstrisinde, özellikle elektrikli araçlar için SIC, inverter performansını geliştirir ve pil yönetim sistemlerini daha küçük hale getirir, araç menzili ve kesme maliyetlerini genişletir.Goldman Sachs, bu iyileştirmelerin araç başına yaklaşık 2.000 $ tasarruf edebileceğini tahmin ediyor.

Şekil 13: Silikon karbür disk freni

Güneş gücünde, SIC invertör verimliliğini artırır, bu da daha yüksek anahtarlama hızlarına izin verir, bu da devre boyutunu ve maliyetlerini azaltır.Dayanıklılığı ve istikrarlı performansı, güneş uygulamaları için galyum nitrür gibi malzemelerden daha iyi hale getirir.

Şekil 14: Güneş enerjisi sistemleri için sic

Telekomünikasyonda, SIC mükemmel termal yönetimi, cihazların daha yüksek güç yoğunluklarını işlemesine, hücresel baz istasyonlarındaki performansı artırmasına ve 5G sunumunu desteklemesine izin verir.Bu gelişmeler, yeni nesil kablosuz iletişimde daha iyi performans ve enerji verimliliği ihtiyacını karşılamaktadır.

Şekil 15: Üçüncü nesil yarı iletken silikon karbür

Endüstriyel ortamlarda, SIC sert ortamlara ve yüksek voltajlara dayanır, daha az soğutma, daha yüksek verimlilik ve daha düşük maliyetlere sahip aerodinamik tasarımlara izin verir, sistem performansını artırır.

Şekil16: Silikon karbür ile çelik yapımı

Savunma ve havacılıkta SIC, radar sistemlerinde, uzay araçlarında ve uçak elektroniğinde kullanılır.SIC bileşenleri, ağırlık düşürmenin maliyetleri düşürdüğü uzay görevleri için en iyisi olan silikondan daha hafif ve daha verimlidir.

Şekil 17: Uçtan uca sic üretimi ve uygulamaları

Çözüm

Silikon karbür (sic), mükemmel özellikleri ve geliştirilmiş üretim teknikleri nedeniyle birçok yüksek talep uygulama için malzeme haline geliyor.Geniş bant aralığı, büyük termal iletkenliği ve güçlü mekanik özellikleri ile SIC, yüksek güç ve ısı direncine ihtiyaç duyan sert ortamlar için idealdir.Makalenin SIC'nin üretim yöntemlerine detaylı bakışı, malzeme bilimindeki ilerlemelerin, SIC özelliklerinin belirli endüstriyel ihtiyaçları karşılamasına nasıl izin verdiğini göstermektedir.Endüstriler daha verimli ve kompakt cihazlara doğru ilerledikçe, SIC otomotiv, güneş enerjisi, telekomünikasyon ve havacılık teknolojilerinde rol oynar.Maliyetleri azaltmak ve SIC kalitesini artırmak için devam eden araştırmaların pazar varlığını artırması ve yarı iletken malzemelerin ve yüksek performanslı uygulamaların geleceğinde önemli rolünü güçlendirmesi beklenmektedir.

Sık sorulan sorular [SSS]

1. Silikon karbür kim kullanır?

Silikon karbür, elektronik, otomotiv, havacılık ve üretim alanlarında çalışan endüstriler ve profesyoneller tarafından kullanılır.Mühendisler ve teknisyenler, yüksek stresli ortamlarda dayanıklılığı ve verimliliği için buna güvenmektedir.

2. Silikon karbür yarı iletken ne için kullanılır?

Silikon karbür yarı iletkenleri yüksek güçlü ve yüksek sıcaklık uygulamaları için kullanılır.Elektrikli araçların gücü verimli bir şekilde yönetmek için güç cihazlarında ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde ve demiryolu sistemleri gibi yüksek güç uygulamalarında bulunan diyotlar ve transistörlerde kullanılır.

3. Silikon karbür sic uygulaması nedir?

Silikon Karbürün (sic) uygulamaları şunları içerir:

Güç elektroniği: Verimli güç dönüşümü ve yönetimi.

Elektrikli araçlar: Gelişmiş performans ve menzil.

Güneş invertörleri: Artan enerji çıkışı ve güvenilirliği.

Havacılık ve Uzay: Yüksek sıcaklık ve yüksek stresli bileşenler.

Endüstriyel ekipman: Güçlü ve uzun ömürlü parçalar.

4. Silikon karbürden hangi ürünler yapılır?

Silikon karbürden yapılan ürünler yarı iletkenlerden ve elektronik cihazlardan aşındırıcılara, kesme aletlerine ve ısıtma elemanlarına kadar değişir.Ayrıca sertliği ve termal direnci nedeniyle zırh ve koruyucu donanımlarda da kullanılır.

5. Silikon karbür nerede üretilir?

Silikon karbür, öncelikle Amerika Birleşik Devletleri, China ve Avrupa'da özel tesislerde üretilmektedir.Şirketler, kuvars kum ve petrol kola gibi hammaddelerden SIC'yi sentezlemek için yüksek sıcaklık fırınları işletiyorlar.

6. Silikon ve silikon karbür arasındaki fark nedir?

Silikon ve silikon karbür arasındaki fark, özelliklerinde ve uygulamalarında yatmaktadır.Silikon, standart yarı iletken cihazlarda ve güneş panellerinde kullanılan saf bir elementtir, silikon karbür sertliği, yüksek termal iletkenliği ve daha yüksek voltajlarda ve sıcaklıklarda çalışma yeteneği ile bilinen bir bileşiktir.Bu, SIC'yi silikonun başarısız olacağı yüksek güçlü ve yüksek sıcaklık uygulamaları için idealdir.