Todo sobre el carburo de silicio: aplicaciones y beneficios
El carburo de silicio se ha convertido en un material semiconductor innovador debido a su rendimiento sobresaliente en entornos de alta temperatura. Redefiniendo la energía eléctrica del vehículo con baja resistencia a voltaje, el carburo de silicio también está ayudando a los sensores avanzados de la nave espacial a resistir la radiación y el calor mejor que nunca.
Los cristales SIC se pueden cultivar y cortar en gemas conocidas como moissanita para su uso como piedras preciosas, aunque el material también se puede encontrar en aplicaciones refractarias y abrasivas.
El carburo de silicio está alimentando una revolución en la electrónica de potencia. A primera vista, el carburo de silicio actúa como un aislante eléctrico; Sin embargo, al agregar impurezas conocidas como dopantes (es decir, aluminio, boro o dopaje de galio puede crear propiedades semiconductoras. Por el contrario, el dopaje de nitrógeno y fósforo produce semiconductores de tipo N).
Los transistores de carburo de silicio tienen la capacidad de manipular temperaturas, voltajes y frecuencias mucho más altos que los dispositivos tradicionales a base de silicio gracias a su vasta brecha de banda, segundo solo por diamante en términos de ancho, lo que ayuda a extraer y disipar el calor de manera eficiente.
Los semiconductores de silicio generalmente solo pueden soportar temperaturas de hasta unos 175 grados Celsius antes de que su brecha de banda se vea comprometida; Pero debido a la brecha más amplia de los dispositivos SIC, los cargadores EV y otros productos de alto voltaje pueden funcionar con sistemas de enfriamiento mucho más pequeños, lo que ahorra espacio y peso.
El carburo de silicio se puede encontrar naturalmente como moissanita y como materiales resistentes al desgaste; También aparece prominentemente como ingrediente en la cerámica funcional y los refractarios avanzados debido a su dureza y baja tasa de expansión térmica. Recientemente, esta sustancia bluish-negro se está utilizando cada vez más como un elemento en dispositivos electrónicos como diodos Schottky o MOSFET/FET que deben soportar altos campos eléctricos y temperaturas para una operación confiable.
Automotor
SIC ofrece a los fabricantes de vehículos eléctricos (EV) la oportunidad de reducir los costos electrónicos de energía al tiempo que aumenta la eficiencia y el alcance, pero su uso requiere una selección cuidadosa basada en los requisitos a nivel de sistema, como los requisitos de enfriamiento versus los costos del material y las especificaciones de rendimiento. Lograr estos objetivos se logra adoptando un enfoque holístico al tomar decisiones de material apropiadas dentro de un marco de diseño general que considera las compensaciones, como los requisitos de enfriamiento contra los costos/especificaciones de rendimiento de los materiales SIC, otro aspecto crítico a tener en cuenta el éxito con las aplicaciones SIC.
El carburo de silicio (SIC) es un compuesto cristalino producido sintéticamente de silicio y carbono, descubierto por primera vez por el inventor estadounidense Edward Acheson durante un intento de crear diamantes artificiales mediante calentamiento extremo de carbono. Cuando Acheson calentó una mezcla de arcilla y coque en polvo en un horno de arco eléctrico, surgieron cristales de color verde brillante que poseían la dureza casi igual a la del diamante. Acheson les dio su nombre: Silicon Carbide.
Washington Mills ahora fabrica carburo de silicio Carborex (R) en varios químicos y tamaños para cumplir con una extensa gama de aplicaciones, el descubrimiento de Acheson condujo directamente a su fabricación como abrasivos industriales.
SIC se considera ampliamente un material indispensable en los elementos del circuito semiconductores debido a sus excepcionales propiedades mecánicas y químicas, esenciales para operaciones de alta velocidad. Esto es especialmente evidente en los diodos y fets/MOSFETS Schottky utilizados para amplificar o cambiar las señales a través de circuitos electrónicos. Además, su resistencia de voltaje es diez veces mayor que las soluciones de nitruro de silicio o galio, proporcionando una mayor confiabilidad en los sistemas de alto voltaje, como suministros de alimentación o cargadores de vehículos eléctricos.
Centros de datos
El carburo de silicio es uno de los materiales más difíciles y debe producirse artificialmente para fabricar. Debido a su increíble resistencia y resistencia a la temperatura, es una excelente elección de material para aplicaciones electrónicas de potencia como IGBT y transistores bipolares que tienen mayores voltajes de descomposición con resistencias de encendido más bajas en comparación con los semiconductores tradicionales. Es un material extremadamente robusto capaz de resistir condiciones extremas, un rasgo esencial cuando se aplica como material electrónico de potencia. El carburo de silicio también exhibe una notable conductividad eléctrica, lo que lo convierte en un excelente aislante.
La resistencia, la dureza, la tolerancia al calor y la resistencia a la corrosión hacen que la placa de cerámica sea un excelente material para usos industriales. Los usos comunes para las placas de cerámica incluyen inyectores de arena, cojinetes de bomba, herramientas de corte y placas de cerámica utilizadas en chalecos a prueba de balas. Además, su capacidad para resistir entornos más calientes permite que se utilice de manera más efectiva para pozos de producción de petróleo, gas natural y energía geotérmica.
El silicio (número atómico 14) y el carbono (número atómico 6) combinados juntos forman un compuesto químico con propiedades semiconductores de gama de banda anchas y estructura hexagonal. Su estructura atómica permite que los electrones se muevan más libremente dentro de sus capas para una mayor eficiencia en comparación con los semiconductores estándar como los semiconductores GaAs de tipo P de tipo P o GaAs de tipo N.
Como puede doparse con nitrógeno y fósforo para formar un semiconductor de tipo N o berilio, aluminio y galio para producir semiconductores de tipo P, se agregan dopantes que alteran su rendimiento al cambiar los patrones de velocidad de electrones que afectan las características eléctricas generales de los dispositivos. Estos dopantes se conocen como dopantes.
El carburo de silicio se utiliza cada vez más en inversores de vehículos eléctricos y cargadores de baterías, entre otras aplicaciones. Este material proporciona una conversión de potencia de alto rendimiento a voltajes más altos con pérdidas de conmutación significativamente reducidas y requisitos de enfriamiento en comparación con los dispositivos de semiconductores de silicio tradicionales, lo que permite que los vehículos eléctricos funcionen por encima de su límite de temperatura de 175 grados C sin requerir sistemas de enfriamiento activos que agregan peso y costo.
SIC, también conocido como Carborundum, es una cerámica no óxido utilizada en muchos productos que exigen térmica y mecánicamente para aplicaciones que incluyen piezas resistentes al desgaste y abrasivos debido a su dureza; Industrias de refractarios de metalurgia para la resistencia contra el choque térmico; Electrónica para ventajas de rendimiento y ventajas de costos. Solo el carburo de diamante y boro es más difícil que SIC.
El carburo de silicio se mantiene en marcado contraste con el silicio, que tiene una banda de banda similar a un aislante. En cambio, el carburo de silicio ofrece brechas más amplias entre su valencia y bandas de conducción para una mayor conductividad. Una brecha más grande permite que los electrones se muevan más libremente entre la valencia y las bandas de conducción de los átomos de materiales, disminuyendo así la resistencia y permiten frecuencias y voltajes más altos que el silicio para la conducción eléctrica. El carburo de silicio dopante con impurezas como nitrógeno, fósforo, aluminio de berilio o galio para ampliar aún más su banda de banda crea diferentes tipos de semiconductores. El carburo de silicio tiene una clasificación de dureza de escala MOHS extremadamente dura y fuerte de 9.3, comparable al acero o diamante. Filado hacia abajo, se puede moler en granos antes de ser sinterizados para formar cerámica ultrahard con excelentes propiedades de choque térmico y resistencia química.