Определение карбида кремния

Карбид кремния (SiC) - твердое синтетически полученное кристаллическое соединение, широко используемое в качестве абразивного и износостойкого материала, в огнеупорах и керамике, а также в качестве полупроводниковой подложки для светоизлучающих диодов (LED).

Полупроводники EFM также превосходят традиционные кремниевые полупроводники в высоковольтных средах, например, в устройствах питания электромобилей (EV), обеспечивая превосходную производительность за счет минимизации потерь напряжения и тока, а также уменьшения размеров и веса основных компонентов управления батареей.

Карбид кремния

Карбид кремния - это инертное керамическое соединение, состоящее из кремния и углерода. Имея твердость по шкале Мооса, равную 9, он занимает третье место после карбида бора (9,5) и алмаза (10). Карбид кремния обладает высокой механической прочностью, оставаясь химически инертным, что делает его идеальным для защиты твердых поверхностей, например, станков.

Чистые углеродные нанотрубки содержат четыре атома углерода, расположенные в четырех углеродных тетраэдрах, ковалентно связанных между собой кремниевыми связями. Такое расположение обеспечивает полиморфизм с различными кристаллическими структурами и фазами.

Кристаллическая структура SiC обуславливает его превосходные электрические свойства, включая характеристики полупроводника с широкой полосой пропускания (ШПЗП), необходимые для электронных приложений. Большая полосовая щель позволяет электронам быстрее покидать орбиту, что приводит к более высоким частотам и более быстрым операциям, чем в обычных кремниевых устройствах.

В качестве базового материала кремний может быть легирован азотом, фосфором, галлием, бором и алюминием для получения полупроводников n-типа. Кроме того, бескремниевые транзисторы могут снизить стоимость и энергопотребление на 40%.

Карбид кремния (SiC) может работать при температуре до 300 градусов Цельсия, что делает его отличным выбором материала для применения в высокотемпературных средах, например, в электродвигателях электромобилей. SiC может устранить необходимость в активных системах охлаждения, которые увеличивают вес, стоимость и сложность, что приводит к увеличению дальности хода и ускорению зарядки таких автомобилей.

Полупроводник

Карбид кремния давно известен своими уникальными электрическими свойствами, которые делают его весьма полезным в электронике. Полупроводники, которые чередуются между проводниками (как медная электропроводка) и изоляторами (полимерная изоляция, покрывающая эти провода), составляют полупроводниковые материалы, используемые для создания интегральных схем, дискретных электронных компонентов, таких как диоды и транзисторы, которые проводят электричество при определенных условиях; их проводимость можно даже изменять с помощью стимуляции электрическим током, электромагнитными полями или световой стимуляцией.

Карбид кремния отличается от традиционных полупроводников чрезвычайно широкой полосой пропускания. Это означает, что для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется гораздо больше энергии; следовательно, карбид кремния может похвастаться очень низкими потерями мощности - неоценимое качество при использовании в высоковольтных приложениях, таких как тяговые инверторы электромобилей.

Карбид кремния уже давно используется в различных областях промышленности и науки - от абразивных зерен и карборундовых инструментов для печати до тепловых, электрических и машиностроительных применений. Однако в последнее время спрос на него резко возрос благодаря низким показателям теплового расширения, высокому соотношению прочности и твердости и способности противостоять агрессивным средам.

Керамика

Сочетание кремния и углерода позволяет получить привлекательный материал с превосходными механическими, химическими и термическими свойствами. Он может похвастаться чрезвычайной твердостью - в два раза выше, чем у алмаза по шкале Мооса, - а также превосходной стойкостью к тепловому удару по сравнению с другими огнеупорными материалами.

Керамика - это неорганический, неметаллический материал, который очень гибкий в необожженном состоянии, но значительно твердеет в процессе обжига. Керамика относится к различным категориям, например:

Керамика используется в основном в качестве огнеупоров, неорганических материалов, которые обеспечивают устойчивость к тепловому и химическому износу и коррозии. Керамика бывает самых разных форм и цветов и используется во всех отраслях промышленности. Важные области применения биокерамики - огнезащита, сверхпроводники и индуцирование биологических реакций клеток. Биоактивная керамика может быть как биологически активной по своей природе, так и получаемой путем обработки поверхности или заполнения керамических пор фармацевтически активными веществами. Карбид кремния широко используется для изготовления автомобильных тормозных дисков, которые значительно снижают трение и выбросы вредных веществ, выдерживая высокие температуры без использования активных систем охлаждения, которые увеличивают вес, сложность и стоимость. Кроме того, его использование лежит в основе многих абразивных материалов и режущих инструментов.

Автомобили

Карбид кремния (SiC) - чрезвычайно прочный материал, занимающий девятое место по шкале Мооса, между глиноземом (9) и алмазом (10). Впервые карбид кремния был искусственно синтезирован американским изобретателем Эдвардом Ачесоном в 1891 году при попытке изготовить искусственные алмазы, но вместо этого он обнаружил мелкие черные кристаллы SiC в электрически нагретом расплаве углерода и глинозема, которые были измельчены в порошок для промышленных абразивов. Получивший Нобелевскую премию химик Анри Муассан наблюдал это соединение в естественных условиях в виде прозрачного минерала под названием муассанит в 1905 году.

Уникальная атомная структура и полупроводниковые свойства карбида кремния делают его идеальным материалом для электронных приложений, таких как диоды, транзисторы и силовые устройства. Его сопротивление напряжению в десять раз выше, чем у традиционного кремния, и он еще лучше работает в системах, превышающих 1000 В, что делает его идеальным материалом для удовлетворения требований высокого напряжения, связанных с зарядными станциями электромобилей (EV) и системами управления энергией.

SiC может значительно повысить эффективность переключения, а также помочь уменьшить размеры и вес основных компонентов EV, таких как DC-DC преобразователи, бортовые зарядные устройства и системы управления батареями. Эти достижения могут приблизить массовое внедрение безэмиссионного вождения. Анализ GlobalData выявил более 10 компаний - от поставщиков технологий и известных автомобильных компаний до перспективных стартапов, - использующих карбид кремния для инновационных решений.