Définition du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un composé cristallin dur, produit synthétiquement, largement utilisé comme matériau abrasif et résistant à l'usure, dans les applications réfractaires et céramiques, ainsi que comme substrat semi-conducteur pour les diodes électroluminescentes (DEL).

Les semi-conducteurs EFM ont également surpassé les semi-conducteurs au silicium traditionnels dans les environnements à haute tension tels que ceux que l'on trouve dans les dispositifs d'alimentation des véhicules électriques, offrant des performances supérieures en minimisant les pertes de tension et de courant ainsi qu'en réduisant et en allégeant les composants essentiels de gestion de la batterie tout en diminuant la taille et le poids.

Carbure de silicium

Le carbure de silicium est un composé céramique inerte composé de silicium et de carbone. Avec une dureté de 9 sur l'échelle de Mohs, il occupe la troisième place derrière le carbure de bore (9,5) et le diamant (10). Le carbure de silicium présente une grande durabilité mécanique tout en restant chimiquement inerte, ce qui le rend idéal pour les applications de protection des surfaces dures telles que les machines-outils.

Les nanotubes de carbone purs contiennent quatre atomes de carbone disposés en quatre tétraèdres de carbone, liés de manière covalente par des liaisons de silicium. Cette disposition permet un polymorphisme avec différentes structures et phases cristallines.

La structure cristalline du SiC lui confère des propriétés électriques supérieures, notamment des caractéristiques de semi-conducteur à large bande interdite (WBG) essentielles aux applications électroniques. Une bande interdite plus large permet aux électrons de quitter l'orbite plus rapidement, ce qui se traduit par des fréquences plus élevées et des opérations plus rapides qu'avec les dispositifs conventionnels en silicium.

En tant que matériau de base, le silicium peut être dopé avec de l'azote, du phosphore, du gallium, du bore et de l'aluminium pour produire des semi-conducteurs de type n. En outre, les transistors sans silicium peuvent réduire le coût et la consommation d'énergie de 40%.

Le carbure de silicium (SiC) peut fonctionner jusqu'à 300 degrés Celsius, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les applications dans des environnements à haute température tels que les moteurs de véhicules électriques. Le carbure de silicium peut éliminer le besoin de systèmes de refroidissement actifs qui ajoutent du poids, du coût et de la complexité, ce qui se traduit par une plus grande autonomie et des temps de charge plus rapides pour ces véhicules.

Semi-conducteurs

Le carbure de silicium est reconnu depuis longtemps pour ses propriétés électriques uniques qui le rendent très utile en électronique. Les semi-conducteurs, qui se comportent alternativement comme des conducteurs (comme les fils électriques en cuivre) et comme des isolants (l'isolant polymère recouvrant ces fils), constituent les matériaux semi-conducteurs utilisés pour construire des circuits intégrés, des composants électroniques discrets comme les diodes et les transistors, qui conduisent l'électricité dans certaines conditions ; leur conductivité peut même être modifiée par stimulation au moyen de courants électriques, de champs électromagnétiques ou d'une stimulation lumineuse.

Le carbure de silicium se distingue des semi-conducteurs traditionnels par une bande interdite extrêmement large. Cela signifie qu'il faut beaucoup plus d'énergie pour déplacer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction ; par conséquent, le carbure de silicium présente de très faibles pertes de puissance - une qualité inestimable lorsqu'il est utilisé pour des applications à haute tension, comme les onduleurs de traction des véhicules électriques.

Le carbure de silicium est depuis longtemps utilisé à diverses fins dans l'industrie et le monde universitaire, qu'il s'agisse de grains de sablage, d'outils de gravure au carborundum ou d'applications dans les domaines de la thermique, de l'électricité et de la mécanique. Récemment, cependant, la demande est montée en flèche en raison de ses faibles taux de dilatation thermique, de son rapport résistance/dureté élevé et de sa capacité à résister à des environnements hostiles.

Céramique

Le silicium et le carbone se combinent pour produire un matériau attrayant doté d'excellentes propriétés mécaniques, chimiques et thermiques. Il présente une dureté extrême - jusqu'à deux fois celle du diamant sur l'échelle de Mohs - ainsi qu'une résistance aux chocs thermiques supérieure à celle d'autres matériaux réfractaires.

La céramique est un matériau inorganique, non métallique, qui est extrêmement souple lorsqu'il n'est pas cuit, mais qui durcit considérablement lors des processus de cuisson. Les céramiques couvrent différentes catégories ; par exemple :

Les céramiques sont principalement utilisées comme réfractaires, des matériaux inorganiques qui offrent une résistance à la chaleur, à l'usure chimique et à la corrosion. Les céramiques se présentent sous toutes sortes de formes et de couleurs et sont utilisées dans tous les secteurs. Parmi les utilisations importantes des biocéramiques figurent la protection contre les incendies, les supraconducteurs et l'induction de réponses biologiques des cellules. Les céramiques bioactives peuvent être soit intrinsèquement bioactives, soit rendues bioactives par des traitements de surface ou par le remplissage des pores de la céramique avec des substances pharmaceutiquement actives. Le carbure de silicium est largement utilisé pour les disques de frein automobiles qui réduisent considérablement la friction et les émissions tout en résistant à des températures élevées sans nécessiter de systèmes de refroidissement actifs qui ajoutent du poids, de la complexité et du coût. En outre, son utilisation constitue la base de nombreux abrasifs et outils de coupe.

Automobile

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau extrêmement résistant classé au neuvième rang sur l'échelle de Mohs, entre l'alumine (9) et le diamant (10). Le carbure de silicium a été synthétisé artificiellement pour la première fois par l'inventeur américain Edward Acheson en 1891, alors qu'il tentait de fabriquer des diamants artificiels. Au lieu de cela, il a découvert de petits cristaux noirs de SiC dans son mélange de carbone et d'alumine chauffé électriquement, qui ont été broyés sous forme de poudre pour fabriquer des abrasifs industriels. Le chimiste Henri Moissan, lauréat du prix Nobel, a observé le composé à l'état naturel sous la forme d'un minéral transparent appelé moissanite en 1905.

La structure atomique unique du carbure de silicium et ses propriétés semi-conductrices en font un matériau idéal pour les applications électroniques telles que les diodes, les transistors et les dispositifs de puissance. Sa résistance à la tension est dix fois supérieure à celle du silicium traditionnel et ses performances sont encore meilleures dans les systèmes dépassant 1 000 V, ce qui en fait le matériau idéal pour répondre aux exigences de haute tension associées aux stations de recharge des véhicules électriques (VE) et aux systèmes de gestion de l'énergie.

Le SiC peut améliorer de manière significative l'efficacité de la commutation tout en contribuant à réduire la taille et le poids des composants essentiels des véhicules électriques, tels que les convertisseurs DC-to-DC, les chargeurs embarqués et les systèmes de gestion de la batterie. Ces progrès pourraient rapprocher la conduite sans émission d'une adoption de masse. L'analyse de GlobalData identifie plus de 10 entreprises - allant des fournisseurs de technologie et des entreprises automobiles établies aux start-ups montantes - qui utilisent le carbure de silicium pour des solutions innovantes.