Piikarbidin edut

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova ja tiheä keraaminen materiaali, jolla on laajakaistaisen puolijohteen ominaisuuksia, kuten erinomainen kemiallinen kestävyys, alhainen lämpölaajenemiskerroin sekä erinomainen lujuus ja jäykkyys.

SiC:tä käytetään yhä laajemmin tehoelektroniikkakomponenteissa, jotta niiden kestävyysjännitteitä voidaan nostaa ja kytkentävastusta pienentää verrattuna perinteisiin piikomponentteihin. SiC:n läpilyöntisähkökentän voimakkuus on 10 kertaa suurempi kuin piin.

Fysikaaliset ominaisuudet

Pii on yksi luonnossa yleisimmin esiintyvistä alkuaineista; sitä löytyy tietokonepiireistä, valkoisilta hiekkarannoilta sekä erilaisista erikoisuuksista, kuten kuukautiskuppeista ja rintaimplantteista. Piidioksidi – jota on 25% maankuoressa – koostuu piistä; vaikka sitä ei teknisesti katsota metalliksi eikä ei-metalliksi, se johtaa sähköä hyvin ja sen johtavuus paranee lämpötilan noustessa.

Piikarbidi on ihanteellinen materiaali sovelluksiin, joissa vaaditaan korkeita lämpötiloja, kuten kemianteollisuudessa ja paperinvalmistuksessa, energiateknologiassa sekä putkijärjestelmien komponenteissa. Sen tiedetään kestävän jopa 1600 °C:n lämpötiloja menettämättä kovuuttaan tai lujuuttaan.

Piikarbidi (SiC) tarjoaa monenlaisia käyttömahdollisuuksia kolmessa eri muodossaan: amorfisena, monikiteisenä ja yksikiteisenä. Nykyisin käytettävissä olevista kolmesta kiinteästä muodosta yksikiteinen SiC tarjoaa parempia fysikaalisia ominaisuuksia kuin muut muodot, minkä vuoksi sitä tulisi suosia niiden sijaan useimmissa teollisissa sovelluksissa.

SiC on erittäin kestävä materiaali, joka koostuu hiili- ja piiatomeista, jotka ovat tiiviisti sitoutuneet tetraedreiksi kidehilaan, mikä tekee siitä erittäin kestävän materiaalin, jonka sulamispiste on korkea – toiseksi korkein heti boorikarbidin jälkeen. SiC:llä on myös poikkeuksellisen laaja kaistanrakoenergia ja erittäin korkea läpilyöntisähkökenttä, minkä ansiosta se soveltuu lukuisiin elektroniikkasovelluksiin – sen erinomaiset ominaisuudet mahdollistavat SiC-transistoreille alhaisemman “päällä”-vastuksen säilyttäen samalla niiden läpilyöntijännitteen kynnysarvot.

Sähköiset ominaisuudet

Pii on hallitseva puolijohdemateriaali, mutta sen rajoitukset ovat tulleet esiin esimerkiksi sähköajoneuvojen tehoelektroniikassa sekä avaruusajoneuvoissa ja luotaimissa, joita lähetetään tutkimaan planeettaamme. Piikarbidin erinomaiset materiaaliominaisuudet – kuten suurempi kaistanrakoenergia, poikkeuksellisen korkea läpilyöntisähkökenttä, parempi lämmönjohtavuus ja elektronien liikkuvuus – ovat tulleet yhä selvemmin esiin.

Piikarbidilaitteet kestävät huomattavasti korkeampaa läpilyöntijännitettä kuin vastaavat piilaitteet, mikä mahdollistaa pienempien transistorien valmistamisen, joilla on suurempi läpilyöntijännitesietokyky, samalla kun ne tarjoavat edelleen erittäin alhaisen ON-vastuksen pinta-alayksikköä kohti.

Huokoisen SiC:n valmistuksessa sovelletaan erilaisia koostumus- ja prosessointiehtoja, ja huokoisuus lisää vastusta pienentämällä johtumiseen käytettävissä olevaa poikkipinta-alaa sekä ohjaamalla varauksenkantajia pois.

Sintrattua huokoista SiC:tä voidaan helposti muokata muuttamalla sen kemiallista koostumusta, sintrauslämpötilaa, huokoisuutta, huokosten kokoa ja morfologiaa sekä sen sähköisiä ominaisuuksia. Huokosten halkaisija, morfologia ja muoto määräävät, miten epäpuhtaudet jakautuvat johtavuusvaiheeseen, ja tämä vaikuttaa huokoisen SiC:n sähköisiin ominaisuuksiin, kuten aukon elinikään tp ja diffuusiopituuteen Lp.

Lämpöominaisuudet

SiC:llä on vaikuttavat fysikaaliset, lämpö- ja kemialliset ominaisuudet. Sen kyky kestää äärimmäisen korkeita lämpötiloja ja samalla vastustaa kemiallisia iskuja tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan sovelluksiin, joissa olosuhteet ovat vaativat.

Piikarbidi kiteytyy tiiviiksi rakenteeksi, joka koostuu tiiviisti pakkautuneista hiiliatomeista, jotka ovat kovalenttisesti sitoutuneet toisiinsa jaettujen elektroniparien kautta kahdessa ensisijaisessa koordinaatiotetraedrissä; neljä pii- ja neljä hiiliatomia, jotka jakavat elektroniparejaan sp3-hybridiorbitaalien kautta, muodostavat kaksi tetraedrista rakennetta, joiden sisällä neljä pii- ja neljä hiiliatomia jakavat elektroniparejaan antaen tälle kovalle ja kestävälle materiaalille sen ominaisen rakenteellisen järjestelyn. Tämä ainutlaatuinen järjestely antaa piikarbidille sen huomattavan kovuuden ja joustavuuden.

Kiteiset SiC-kiteet osoittavat myös erinomaista hilan epäsuhtatoleranssia ja lämmönjohtavuutta; niillä on sekä suuri hilan epäsuhtatoleranssi että erinomainen lämmönjohtavuus. Niiden lämmönjohtavuus K huoneenlämpötilassa sijoittuu puhtaan timantin ja kuparin välille, ja se kasvaa dopingpitoisuuden N kasvaessa.

SiC:llä on myös huomattavat elastiset ominaisuudet: sen Youngin moduuli on 131 GPa, mikä on verrattavissa “koviin” materiaaleihin, kuten timanttiin (1 000 GPa), “kovien” terästen (200 GPa) ja keraamien – mutta se ylittää selvästi pehmeiden materiaalien, kuten polyeteenin ja polypropeenin, ominaisuudet.

Kemialliset ominaisuudet

Pii on hauras metallinen alkuaine, joka ulkonäöltään muistuttaa rautaa; toisin kuin rauta, sen sulamispiste on kuitenkin huomattavasti matalampi, ja se voi sulassa tilassa reagoida hapen, fosforin, typen ja monien muiden alkuaineiden kanssa. Piiä voidaan myös seosttaa voimakkaasti, jolloin saadaan joko n-tyyppistä tai p-tyyppistä materiaalia.

Piikarbidin atomirakenne muistuttaa tiiviisti pakkautuneita kiteitä. Materiaali sisältää kaksi pääkoordinaatiotetraedriä, jotka koostuvat neljästä pii- ja neljästä hiiliatomista, jotka ovat kovalenttisesti sitoutuneet toisiinsa ja liitetty toisiinsa kulmistaan muodostaen polytyyppirakenteita – näin syntyy kaksi pääkoordinaatiotetraedriä, jotka muodostavat tiiviisti pakkautuneita kuusikulmaisia verkostoja, joita kutsutaan polytyypeiksi.

Piikarbidilla on useita polytyyppejä, joiden kiderakenteet ovat kuusikulmaisia, kuutiomaisia, romboedrisia tai tetragonaalisia. Ei-kuutiomaiset muodot, kuten 4H-SiC ja 6H-SiC, kuuluvat niin sanottuun a-SiC-perheeseen; kuutiomaisiin muunnoksiin kuuluvat 10R-SiC-, 12C-SiC-, 14H-SiC- ja 15R-SiC-polytyypit.

Alkuainemuotoinen pii ei liukene veteen eikä alkoholiin, mutta se voi liueta suurina pitoisuuksina orgaanisiin happoihin ja emäksiin. Se toimii voimakkaana pelkistimenä, joka sulassa tilassaan muodostaa yhdisteitä monien muiden alkuaineiden ja metallien (mukaan lukien kromi, volframi ja molybdeeni) kanssa. Lisäksi pii toimii heikkona hapettimena ja tuottaa myrkyllistä savua palaessaan ilmassa, sillä se palaa loppuun reagoidessaan veden kanssa muodostaen natriumsilisidiä, joka on märkänä räjähtävästi syttyvä yhdiste.