Definition von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid (SiC) ist eine harte, synthetisch hergestellte kristalline Verbindung, die häufig als abrasives und verschleißfestes Material, in feuerfesten und keramischen Anwendungen sowie als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden (LED) verwendet wird.

EFM-Halbleiter übertreffen auch herkömmliche Silizium-Halbleiter in Hochspannungsumgebungen, wie sie in Stromversorgungsgeräten für Elektrofahrzeuge zu finden sind. Sie bieten eine überlegene Leistung, indem sie Spannungs- und Stromverluste minimieren und wichtige Batteriemanagement-Komponenten schrumpfen und leichter machen, während sie gleichzeitig Größe und Gewicht verringern.

Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist eine inerte keramische Verbindung, die aus Silizium und Kohlenstoff besteht. Mit einer Mohs-Härte von 9 liegt es an dritter Stelle hinter Borkarbid (9,5) und Diamant (10). Siliziumkarbid hat eine hohe mechanische Beständigkeit und ist gleichzeitig chemisch inert, wodurch es sich perfekt für den Schutz harter Oberflächen wie Werkzeugmaschinen eignet.

Reine Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten vier Kohlenstoffatome, die in vier Kohlenstofftetraedern angeordnet und durch Siliziumbindungen kovalent miteinander verbunden sind. Diese Anordnung ermöglicht einen Polymorphismus mit verschiedenen Kristallstrukturen und Phasen.

Die kristalline Struktur von SiC führt zu seinen hervorragenden elektrischen Eigenschaften, einschließlich der Eigenschaften eines Halbleiters mit breiter Bandlücke (WBG), die für elektronische Anwendungen unerlässlich sind. Eine größere Bandlücke ermöglicht es den Elektronen, ihre Umlaufbahn schneller zu verlassen, was zu höheren Frequenzen und schnellerem Betrieb als bei herkömmlichen Siliziumgeräten führt.

Als Basismaterial kann Silizium mit Stickstoff, Phosphor, Gallium, Bor und Aluminium dotiert werden, um n-Typ-Halbleiter herzustellen. Außerdem können siliziumfreie Transistoren die Kosten und den Stromverbrauch um bis zu 40% senken.

Siliziumkarbid (SiC) kann bei bis zu 300 Grad Celsius eingesetzt werden und eignet sich daher hervorragend für Anwendungen in Umgebungen mit hohen Temperaturen, wie z. B. in Motoren von Elektrofahrzeugen. SiC macht aktive Kühlsysteme überflüssig, die zusätzliches Gewicht, Kosten und Komplexität mit sich bringen, was sich in einer größeren Reichweite und kürzeren Ladezeiten für diese Fahrzeuge niederschlägt.

Halbleiter

Siliziumkarbid ist seit langem für seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften bekannt, die es in der Elektronik sehr nützlich machen. Halbleiter, die sich abwechselnd wie Leiter (wie elektrische Kupferdrähte) und wie Isolatoren (Polymerisolierung, die diese Drähte bedeckt) verhalten, bilden die Halbleitermaterialien, die für den Bau integrierter Schaltkreise verwendet werden, diskrete elektronische Bauteile wie Dioden und Transistoren, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten; ihre Leitfähigkeit kann sogar durch Stimulation mit elektrischen Strömen, elektromagnetischen Feldern oder Lichtanregung verändert werden.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von herkömmlichen Halbleitern durch eine extrem breite Bandlücke. Das bedeutet, dass viel mehr Energie erforderlich ist, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu überführen. Folglich weist Siliziumkarbid sehr geringe Leistungsverluste auf - eine unschätzbare Eigenschaft, wenn es für Hochspannungsanwendungen, wie z. B. Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, eingesetzt wird.

Siliziumkarbid wird seit langem für verschiedene Zwecke in Industrie und Wissenschaft eingesetzt, von Strahlmitteln und Karborund-Druckwerkzeugen bis hin zu Anwendungen in der Wärme-, Elektro- und Maschinentechnik. In jüngster Zeit ist die Nachfrage aufgrund der geringen Wärmeausdehnung, des hohen Festigkeits-Härte-Verhältnisses und der Widerstandsfähigkeit gegenüber widrigen Umgebungsbedingungen jedoch sprunghaft angestiegen.

Keramik

Silizium und Kohlenstoff verbinden sich zu einem attraktiven Material mit hervorragenden mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften. Es zeichnet sich durch eine extreme Härte aus, die auf der Mohs-Skala doppelt so hoch ist wie die von Diamant, sowie durch eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit als andere feuerfeste Materialien.

Keramik ist ein anorganisches, nichtmetallisches Material, das in ungebranntem Zustand sehr flexibel ist, sich aber während des Brennvorgangs deutlich verfestigt. Keramik umfasst verschiedene Kategorien, zum Beispiel:

Keramik wird in erster Linie als feuerfestes Material verwendet, d. h. als anorganisches Material, das gegen Hitze, chemischen Verschleiß und Korrosion beständig ist. Keramik gibt es in allen möglichen Formen und Farben und wird in allen Branchen eingesetzt. Wichtige Verwendungszwecke für Biokeramik sind Brandschutz, Supraleiter und die Auslösung biologischer Reaktionen von Zellen. Bioaktive Keramiken können entweder von Natur aus bioaktiv sein oder durch Oberflächenbehandlungen oder das Füllen von Keramikporen mit pharmazeutisch aktiven Substanzen bioaktiv gemacht werden. Siliziumkarbid wird häufig für Automobilbremsscheiben verwendet, die die Reibung und die Emissionen erheblich verringern und gleichzeitig hohen Temperaturen standhalten, ohne dass aktive Kühlsysteme erforderlich sind, die das Gewicht, die Komplexität und die Kosten erhöhen. Außerdem bildet es die Grundlage für viele Schleifmittel und Schneidwerkzeuge.

Automobilindustrie

Siliciumcarbid (SiC) ist ein extrem hartes Material, das auf der Mohs-Skala an neunter Stelle steht, zwischen Aluminiumoxid (9) und Diamant (10). Siliziumkarbid wurde erstmals 1891 von dem amerikanischen Erfinder Edward Acheson künstlich synthetisiert, als er versuchte, künstliche Diamanten herzustellen. Stattdessen entdeckte er in seiner elektrisch erhitzten Schmelze aus Kohlenstoff und Aluminiumoxid kleine schwarze Kristalle aus SiC, die zu Pulver für industrielle Schleifmittel gemahlen wurden. Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Chemiker Henri Moissan entdeckte die Verbindung 1905 als transparentes Mineral namens Moissanit.

Die einzigartige atomare Struktur und die Halbleitereigenschaften von Siliziumkarbid machen es ideal für elektronische Anwendungen wie Dioden, Transistoren und Leistungsgeräte. Es hat eine zehnmal höhere Spannungsfestigkeit als herkömmliches Silizium und schneidet in Systemen mit mehr als 1000 V sogar noch besser ab. Damit ist es das ideale Material für die hohen Spannungsanforderungen, die mit Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Energiemanagementsystemen verbunden sind.

SiC kann die Schalteffizienz erheblich verbessern und gleichzeitig dazu beitragen, die Größe und das Gewicht wichtiger EV-Komponenten wie Gleichspannungswandler, Onboard-Ladegeräte und Batteriemanagementsysteme zu verringern. Diese Fortschritte könnten das emissionsfreie Fahren näher an die Masseneinführung bringen. Die Analyse von GlobalData identifiziert über 10 Unternehmen - von Technologieanbietern und etablierten Automobilunternehmen bis hin zu aufstrebenden Start-ups - die Siliziumkarbid für innovative Lösungen nutzen.