Carboneto de Silício

Zhen An: Fabricação líder de carboneto de silício na China

ZhenAn International Co., limitada. está localizada na cidade de Anyang, China, e possui mais de 30 anos de experiência e acúmulo de tecnologia na indústria metalúrgica.

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Introdução de carboneto de silício

O carboneto de silício, também conhecido como SiC, é um material de base semicondutor que consiste em silício puro e carbono puro. Você pode dopar SiC com nitrogênio ou fósforo para formar um semicondutor do tipo n-ou dopá-lo com berílio, boro, alumínio ou gálio para formar um semicondutor do tipo-ap. Embora existam muitas variedades e purezas de carboneto de silício, o carboneto de silício de qualidade semicondutora só surgiu para utilização nas últimas décadas.

Propriedades do carboneto de silício

Estrutura Cristalina Robusta
O carboneto de silício é composto por elementos leves, silício (Si) e carbono (C). Seu bloco de construção básico é um cristal de quatro átomos de carbono formando um tetraedro, ligado covalentemente a um único átomo de silício no centro. O SiC também exibe polimorfismo, pois existe em diferentes fases e estruturas cristalinas

Alta Dureza
O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, tornando-o o material mais duro disponível depois do carboneto de boro (9,5) e do diamante (10). É esta propriedade aparente que torna o SiC uma excelente escolha de material para vedações mecânicas, rolamentos e ferramentas de corte.

Resistência-a altas temperaturas
A resistência do carboneto de silício a altas temperaturas e choques térmicos é a propriedade que permite que o SiC seja utilizado na fabricação de tijolos refratários e outros materiais refratários. A decomposição do carboneto de silício começa em 2.000 graus

Condutividade
Se o SiC for purificado, seu comportamento se manifestará como um isolante elétrico. No entanto, ao governar as impurezas, os carbonetos de silício podem exibir as propriedades elétricas de um semicondutor. Por exemplo, a introdução de quantidades variáveis de alumínio por dopagem produzirá um semicondutor do tipo-ap. Normalmente, um SiC-de nível industrial tem uma pureza de cerca de 98 a 99,5%. As impurezas comuns são alumínio, ferro, oxigênio e carbono livre

Estabilidade Química
O carboneto de silício é uma substância estável e quimicamente inerte com alta resistência à corrosão mesmo quando exposta ou fervida em ácidos (ácido clorídrico, sulfúrico ou fluorídrico) ou bases (hidróxidos de sódio concentrados). Verifica-se que reage com o cloro, mas apenas a uma temperatura de 900 graus e acima. O carboneto de silício iniciará uma reação de oxidação no ar quando a temperatura estiver em aproximadamente 850 graus para formar SiO2

As vantagens do carboneto de silício

Capacidade de temperatura mais alta:O SiC pode operar em temperaturas muito mais altas que o silício, muitas vezes até 400 graus C e potencialmente até 800 graus C, permitindo dispositivos eletrônicos mais eficientes que podem lidar com condições extremas sem degradação significativa do desempenho. Esta capacidade impressionante se deve à alta condutividade térmica do SiC e à baixa concentração intrínseca de portadores de carga. Alta condutividade térmica significa que um transistor SiC pode usar um dissipador de calor muito menor do que um chip de silício equivalente ou pode usar um dissipador de calor comparável e tolerar muito mais calor. A baixa concentração de portadores de carga à temperatura ambiente significa que o SiC pode tolerar maior carga elétrica antes que os elétrons liberados termicamente se adicionem aos portadores de carga intrínsecos, inundando o transistor e travando-o na posição "ligado" (estado condutor).

Maior tensão de ruptura:O SiC tem uma tensão de ruptura aproximadamente oito vezes maior que a do silício (~300 kV/cm versus 2.400 kV/cm), o que significa que ele pode suportar tensões mais altas antes de experimentar um comportamento de condução imprevisível e falha potencialmente catastrófica.

Fator de forma menor:Esta vantagem decorre da maior tensão de ruptura e condutividade térmica do SiC em relação ao silício. Se um transistor de silício e um transistor de carboneto de silício fossem projetados para suportar a mesma tensão de ruptura, o transistor de silício tradicional precisaria ser muito maior que o transistor de SiC. O transistor de SiC menor poderia ter apenas 0,25-0,5% da resistência "ligada" que o transistor de silício maior. Esta propriedade permite o projeto de sistemas eletrônicos de potência mais eficientes e compactos, com menores perdas de potência.

Frequências de comutação mais altas:O formato menor dos transistores SiC e a consequente frequência de comutação mais alta permitem o projeto de indutores e capacitores mais leves e mais baratos para uso em um conversor de energia como aqueles usados para carregar baterias EV.

Como é feito o carboneto de silício?

O método mais simples de fabricação de carboneto de silício envolve a fusão de areia de sílica e carbono, como carvão, em altas temperaturas - até 2.500 graus Celsius. Versões mais escuras e comuns de carboneto de silício geralmente incluem impurezas de ferro e carbono, mas os cristais puros de SiC são incolores e se formam quando o carboneto de silício sublima a 2.700 graus Celsius. Uma vez aquecidos, esses cristais se depositam no grafite a uma temperatura mais baixa em um processo conhecido como método de Lely.

Método Lely

Durante este processo, um cadinho de granito aquece a uma temperatura muito elevada, geralmente por meio de indução, para sublimar o pó de carboneto de silício. Uma haste de grafite com temperatura mais baixa fica suspensa na mistura gasosa, o que inerentemente permite que o carboneto de silício puro se deposite e forme cristais.

Deposição química de vapor

Alternativamente, os fabricantes cultivam SiC cúbico usando deposição química de vapor, que é comumente usada em processos de síntese baseados em carbono e na indústria de semicondutores. Neste método, uma mistura química especializada de gases entra em um ambiente de vácuo e se combina antes de ser depositada em um substrato.
Ambos os métodos de produção de wafers de carboneto de silício requerem grandes quantidades de energia, equipamentos e conhecimento para serem bem-sucedidos.

Quais são os usos do carboneto de silício?

Carboneto de silício usado em armaduras militares à prova de balas
O carboneto de silício é usado para fabricar armaduras à prova de balas. A propriedade deste composto que o torna aplicável para tal fim é a sua dureza. Balas e outros objetos nocivos terão que enfrentar os blocos cerâmicos duros que o carboneto de silício forma. As balas não conseguem penetrar nos blocos de cerâmica.

Carboneto de silício usado em semicondutores
O carboneto de silício torna-se um semicondutor quando dopantes são adicionados a ele. Dopantes como boro e alumínio adicionados ao carboneto de silício fazem com que ele se torne um-tipo de semicondutor. Por outro lado, dopantes como nitrogênio e fósforo adicionados ao carboneto de silício fazem com que ele se torne um semicondutor do tipo n-.

Carboneto de silício usado em abrasivos
O carboneto de silício é comumente usado como abrasivo devido à sua dureza. É utilizado na fabricação de rebolos, ferramentas de corte e lixas. Os abrasivos de carboneto de silício são geralmente mais baratos que outros abrasivos de qualidade semelhante. Os abrasivos são usados para lixar materiais como aço, alumínio, ferro fundido e borracha.

Carboneto de silício usado em veículos elétricos
O carboneto de silício é uma escolha melhor em relação ao silício para alimentar veículos elétricos. Os veículos elétricos movidos a carboneto de silício são altamente eficientes e-econômicos.

Carboneto de silício usado em joias
Estruturalmente semelhante ao diamante, porém mais brilhante, mais barato, mais durável e mais leve que o diamante, o carboneto de silício é uma-alternativa merecida ao diamante na indústria joalheira.

Carboneto de silício usado em combustível
Além de outros usos, o carboneto de silício é utilizado como combustível. É usado como combustível na fabricação de aço e produz aço mais puro do que a maioria dos outros combustíveis. É também um combustível mais barato e-mais ecológico.

Carboneto de silício usado em LEDs
O primeiro conjunto de-diodos emissores de luz (LEDs) a ser produzido utilizou tecnologia de carboneto de silício. Foi usado para fabricar LEDs azuis, vermelhos e amarelos. Os LEDs são usados em televisores, painéis de exibição e computadores.

Certificações

Problemas comuns de carboneto de silício

P: Quais são as aplicações do SiC em dispositivos eletrônicos?

R: O carboneto de silício é um semicondutor perfeitamente adequado para aplicações de energia, graças sobretudo à sua capacidade de suportar altas tensões, até dez vezes superiores às utilizáveis com silício. Semicondutores baseados em carboneto de silício oferecem maior condutividade térmica, maior mobilidade eletrônica e menores perdas de energia. Diodos e transistores de SiC também podem operar em frequências e temperaturas mais altas sem comprometer a confiabilidade. As principais aplicações de dispositivos SiC, como diodos Schottky e transistores FET/MOSFET, incluem conversores, inversores, fontes de alimentação, carregadores de bateria e sistemas de controle de motores.

P: Por que o SiC supera o Si em aplicações de energia?

R: Apesar de ser o semicondutor mais utilizado na eletrônica, o silício está começando a apresentar algumas limitações, especialmente em aplicações-de alta potência. Um fator relevante nessas aplicações é o bandgap, ou gap de energia, oferecido pelo semicondutor. Quando o bandgap é alto, os componentes eletrônicos usados podem ser menores, funcionar mais rápido e de forma mais confiável. Ele também pode operar em temperaturas, tensões e frequências mais altas do que outros semicondutores. Enquanto o silício tem um bandgap de cerca de 1,12eV, o carboneto de silício tem um valor quase três vezes maior, de cerca de 3,26eV.

P: Quais impurezas são usadas para lubrificar o material de carboneto de silício?

R: Em sua forma pura, o carboneto de silício se comporta como um isolante elétrico. Com a adição controlada de impurezas ou dopantes, o SiC pode se comportar como um semicondutor. O semicondutor do tipo AP-pode ser obtido dopando-o com alumínio, boro ou gálio, enquanto impurezas de nitrogênio e fósforo dão origem a um semicondutor do tipo N-. O carboneto de silício tem a capacidade de conduzir eletricidade sob algumas condições, mas não em outras, com base em fatores como voltagem ou intensidade da radiação infravermelha, luz visível e raios ultravioleta. Ao contrário de outros materiais, o carboneto de silício é capaz de controlar as regiões do tipo P-e do tipo N-necessárias para a fabricação de dispositivos em amplas faixas. Por estas razões, o SiC é um material adequado para dispositivos de potência e capaz de superar as limitações oferecidas pelo silício.

P: Como os semicondutores SiC podem obter melhor gerenciamento térmico do que o silício?

R: Outro parâmetro importante é a condutividade térmica, que é um índice de como o semicondutor é capaz de dissipar o calor que gera. Se um semicondutor não for capaz de dissipar o calor de forma eficaz, será introduzida uma limitação na tensão operacional e na temperatura máximas que o dispositivo pode suportar. Esta é outra área onde o carboneto de silício supera o silício: a condutividade térmica do carboneto de silício é de 1490 W/m-K, em comparação com os 150 W/m-K oferecidos pelo silício.

P: Quais são as matérias-primas do carboneto de silício?

R: As principais matérias-primas são SiO2 e C, que são feitas para reagir em alta temperatura. Também são adicionados pó de serra e sal (às vezes), para que o pó de serra queime e forme poros, facilitando o escape dos gases liberados (em alta temperatura). A queima é feita por cerca de 40 horas e após o resfriamento as paredes laterais são retiradas.

P: Como você consegue carboneto de silício?

R: Normalmente, o carboneto de silício é produzido usando o processo Acheson, que envolve o aquecimento de areia de sílica e carbono a altas temperaturas em um forno de resistência de grafite Acheson. Pode ser formado como um pó fino ou uma massa aglomerada que deve ser triturada e moída antes de poder ser usada como matéria-prima em pó.

P: O carboneto de silício é difícil de produzir?

R: O processo mais simples para fabricar carboneto de silício é combinar areia de sílica e carbono em um forno de resistência elétrica de grafite Acheson em alta temperatura, entre 1.600 graus (2.910 graus F) e 2.500 graus (4.530 graus F).

P: Quais são os principais usos do carboneto de silício?

R: O carboneto de silício é um abrasivo muito popular na lapidação moderna devido à sua durabilidade e ao custo relativamente baixo do material. É, portanto, crucial para a indústria da arte. Na indústria de manufatura, esse composto é usado por sua dureza em diversos processos de usinagem abrasiva, como brunimento, retificação, corte-com jato de água e jato de areia.

P: O carboneto de silício é solúvel em água?

R: O carboneto de silício é insolúvel em água. No entanto, é solúvel em álcalis fundidos (como NaOH e KOH) e também em ferro fundido. O carboneto de silício pode ser considerado um composto de organossilício.

P: O carboneto de silício pode conduzir eletricidade?

R: Sim, mas sob certas condições.
O carboneto de silício, em sua forma pura, comporta-se como isolante elétrico. Porém, com a adição controlada de impurezas ou agentes dopantes, e como o SiC possui a resistividade necessária, ele pode expressar propriedades de semi{1}}condução; em outras palavras, como semicondutor, ele não permite uma corrente-de fluxo livre nem a repele completamente.

P: De onde obtemos carboneto de silício?

R: O carboneto de silício (SiC) ou carborundo é um abrasivo sintético fabricado através da fusão de areia de sílica de alto grau e carbono finamente moído (coque de petróleo) em um forno elétrico em alta temperatura (1.600 a 2.500 graus).

P: O carboneto de silício é mais forte que o diamante?

R: O carboneto de silício é duro com uma dureza Mohs de 9,5, que perde apenas para o diamante mais duro do mundo. Além disso, o carboneto de silício possui excelente condutividade térmica. É uma espécie de semicondutor e pode resistir à oxidação em altas temperaturas.

P: Com o que o carboneto de silício reage?

R: O pó de SiC pode ser misturado com pó de carbono e/ou silício, moldado em formas e, em seguida, reagido em alta temperatura para formar auto-ligado (Si+C forma SiC para unir grãos), ligado por nitreto (o silício reagiu com N2 para formar Si3N4) ou carboneto de silício ligado a silício (SiC siliconizado).

P: Quais são os diferentes tipos de cristais de SiC?

R: As estruturas cristalinas do SiC são cúbicas, hexagonais e romboédricas. O sistema de notação usado para SiC indica o número de camadas na sequência de empilhamento atômico e uma letra que representa a estrutura cristalina do politipo (C para cúbico, H para hexagonal e R para romboédrico).

P: Qual é a diferença entre carboneto de silício alfa e beta?

R: O que distingue as duas formas de carboneto de silício é a estrutura microcristalina. Enquanto o carboneto de silício beta possui uma estrutura microcristalina cúbica, o carboneto alfa cristalino possui uma estrutura microcristalina esférica.

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