Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård och tät keram med halvledaregenskaper med brett bandgap, t.ex. utmärkt kemisk resistens, låg termisk expansionskoefficient och överlägsen styrka och styvhet.
SiC används i allt högre grad i kraftelektronik för att öka spänningshållfastheten och minska påslagningsmotståndet jämfört med traditionella kiselkretsar. SiC har 10 gånger högre elektrisk fältstyrka vid genombrott jämfört med kisel.
Fysikaliska egenskaper
Kisel är ett av de mest förekommande grundämnena i naturen; det finns i datachips, vita stränder och olika konstigheter som menskoppar och bröstimplantat. Kiseldioxid - som består av kiseldioxid som finns i 25% av jordskorpan - består av kisel; även om det tekniskt sett varken anses vara metall eller icke-metall leder det elektricitet bra och blir bättre med temperaturökningar.
Kiselkarbid är ett idealiskt material för tillämpningar som kräver höga temperaturer, t.ex. kemisk produktion och papperstillverkning, energiteknik och rörsystemkomponenter samt rörsystemkomponenter. Det har visat sig klara temperaturer på upp till 1600 grader Celsius utan att förlora hårdhet eller styrka.
Kiselkarbid (SiC), i dess tre former amorf, polykristallin och enkristallin, har många olika användningsområden. Av de tre fasta former som vi har tillgång till idag, erbjuder enkristallin SiC överlägsna fysiska egenskaper än sina motsvarigheter och bör därför föredras framför dem för de flesta industriella användningsområden.
SiC är ett extremt hållbart material som består av kol- och kiselatomer som är tätt sammanbundna i tetraedrar i ett kristallgitter, vilket ger upphov till ett extremt hållbart material med hög smältpunkt, näst efter borkarbid. SiC har också en exceptionellt bred bandgapsenergi och ett extremt högt elektriskt fält vilket gör det lämpligt för många elektroniska applikationer - dess överlägsna egenskaper gör att SiC-transistorer kan uppnå lägre "on"-resistans samtidigt som de behåller sina tröskelvärden för genomslagsspänning.
Elektriska egenskaper
Kisel är det dominerande halvledarmaterialet, men dess begränsningar har blivit uppenbara i tillämpningar som kraftelektronik för elfordon och instrument som finns ombord på rymdfärjor och sonder som skickas ut för att utforska vår planet. Kiselkarbidens överlägsna materialegenskaper - inklusive bredare bandgapsenergi, ett exceptionellt högt elektriskt fält vid nedbrytning, högre värmeledningsförmåga och elektronrörlighet - har blivit alltmer uppenbara.
Kiselkarbidkomponenter har förmågan att klara mycket högre genomslagsspänning än sina motsvarigheter i kisel, vilket möjliggör mindre transistorer med ökad genomslagsspänningstolerans samtidigt som de fortfarande har mycket lågt ON-motstånd per ytenhet.
Poröst SiC är föremål för olika sammansättnings- och bearbetningsförhållanden vid tillverkningen, och porositeten ökar motståndet genom att minska den tvärsnittsarea som är tillgänglig för ledning samt genom att leda bort laddningsbärare.
Sintrat poröst SiC är lätt att justera genom att ändra dess kemiska sammansättning, sintringstemperatur, porositet, porstorlek och morfologi samt dess elektriska egenskaper. Porernas diameter, morfologi och form avgör hur föroreningar fördelar sig över dess konduktivitetsfas och detta påverkar de elektriska egenskaperna som hållivslängd tp och diffusionslängd Lp hos poröst SiC.
Termiska egenskaper
SiC har imponerande fysikaliska, termiska och kemiska egenskaper. Dess förmåga att motstå extremt höga temperaturer samtidigt som det står emot kemiska chocker gör det till ett utmärkt materialval för applikationer som utsätts för tuffa förhållanden.
Kiselkarbid kristalliserar i en intim struktur som består av tätt packade kolatomer som är kovalent bundna till varandra genom sina delade elektronpar i två primära koordinationstetraedrar; fyra kisel- och fyra kolatomer som delar sina elektronpar genom sp3-hybridorbitaler skapar två tetraederstrukturer inom vilka fyra kisel- och fyra kolatomer delar elektronpar för att ge detta hårda och robusta material dess distinkta strukturella layout. Detta unika arrangemang ger kiselkarbid dess anmärkningsvärda hårda och motståndskraftiga natur.
Kristallina SiC-kristaller uppvisar också utmärkt tolerans mot felmatchning i gitteret och värmeledningsförmåga, med både stor tolerans mot felmatchning i gitteret och enastående värmeledningsförmåga. Deras värmeledningsförmåga K vid rumstemperatur ligger någonstans mellan den för ren diamant och koppar, och ökar med ökande dopningsnivåer N.
SiC har också anmärkningsvärda elastiska egenskaper, med en Youngs modul på 131 GPa, vilket är jämförbart med "hårda" material som diamant (1 000 GPa), "hårt" stål (200 GPa) och keramer - men mycket bättre än mjuka material som polyeten och polypropylen.
Kemiska egenskaper
Kisel är ett sprött metalliskt grundämne med liknande utseende som järn, men till skillnad från järn har det en mycket lägre smältpunkt och kan reagera med syre, fosfor, kväve och många andra ämnen i smält tillstånd. Kisel kan också dopas kraftigt för att producera antingen en n-typ eller p-typ variant av materialet.
Kiselkarbidens atomstruktur liknar tätt packade kristaller. Materialet innehåller två primära koordinationstetraedrar som består av fyra kisel- och fyra kolatomer som är kovalent bundna till varandra och länkade i hörnen för att bilda polytypstrukturer - vilket skapar två primära koordinationstetraedrar som bildar tätt packade hexagonala nätverk som kallas polytyper.
Kiselkarbid finns i olika polytyper som har hexagonala, kubiska, rombohedriska eller tetragonala kristallstrukturer. Icke-kubiska former som 4H-SiC och 6H-SiC tillhör det som kallas a-SiC-familjen; kubiska sorter inkluderar polytyperna 10R-SiC, 12C-SiC, 14H-SiC och 15R-SiC.
Elementärt kisel är olösligt i både vatten och alkohol, men kan lösas i höga koncentrationer i organiska syror och alkalier. Det fungerar som ett starkt reduktionsmedel som bildar föreningar med många andra grundämnen och metaller (inklusive krom, volfram och molybden) i smält tillstånd. Dessutom fungerar kisel som ett svagt oxidationsmedel och producerar giftig rök när det bränns i luften eftersom det brinner upp när det reagerar med vatten för att bilda natriumsilicid, en explosivt brandfarlig förening när den är våt.
Swedish 
English