Siliziumkarbid

Zhen An: Führender Hersteller von Siliziumkarbid in China

ZhenAn International Co., Limited. hat seinen Sitz in Anyang City, China, und verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung und Technologieakkumulation in der metallurgischen Industrie.

Derzeit betreibt Zhenan vollautomatische und intelligente Produktionslinien für metallurgische und metallische Materialien mit einer stabilen Jahresproduktion und einem Verkaufsvolumen von 150.000 Tonnen.

Unsere Fabrik erstreckt sich über eine Fläche von etwa 30.000 Quadratmetern und unterstützt eine stabile und groß angelegte Produktion.

Qualitätssicherung
Unsere Qualitätsprüfer kontrollieren streng die Qualität jeder Verbindung, um sicherzustellen, dass jede Produktcharge internationalen Standards entspricht.

Guter Service
Zhenan verfügt über ein ausgezeichnetes und professionelles Team, das sich der Bereitstellung hochwertiger Materialien und Dienstleistungen für metallurgische Produkte widmet.

Anpassung
Je nach Kundenwunsch bieten wir auch maßgeschneiderte metallurgische Werkstoffprodukte mit besonderen Spezifikationen, Formen und Materialien an.

Schnelle Lieferung
Mit einer enormen Produktionskapazität stellen wir eine pünktliche Lieferung und einen schnellen Transport zum Zielort sicher.

Breites Anwendungsspektrum
Metallurgische Materialprodukte von ZhenAn werden häufig in den Bereichen Guss, Stahlherstellung, Elektrizität, Nichteisenmetalle, Petrochemie, Glas, Baumaterialien und anderen Bereichen eingesetzt und in mehr als 80 Länder und Regionen auf der Welt exportiert.

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Einführung von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid, auch SiC genannt, ist ein Halbleiter-Grundmaterial, das aus reinem Silizium und reinem Kohlenstoff besteht. Sie können SiC mit Stickstoff oder Phosphor dotieren, um einen Halbleiter vom Typ n- zu bilden, oder es mit Beryllium, Bor, Aluminium oder Gallium dotieren, um einen Halbleiter vom Typ p- zu bilden. Obwohl es viele Arten und Reinheiten von Siliziumkarbid gibt, ist Siliziumkarbid in Halbleiterqualität erst in den letzten Jahrzehnten für die Verwendung aufgetaucht.

Eigenschaften von Siliziumkarbid

Robuste Kristallstruktur
Siliziumkarbid besteht aus den leichten Elementen Silizium (Si) und Kohlenstoff (C). Sein Grundbaustein ist ein Kristall aus vier Kohlenstoffatomen, die einen Tetraeder bilden und im Zentrum kovalent an ein einzelnes Siliziumatom gebunden sind. SiC weist auch Polymorphismus auf, da es in verschiedenen Phasen und Kristallstrukturen vorliegt

Hohe Härte
Siliziumkarbid hat eine Mohs-Härte von 9 und ist damit neben Borkarbid (9,5) und Diamant (10) das härteste verfügbare Material. Es ist diese offensichtliche Eigenschaft, die SiC zu einer hervorragenden Materialwahl für mechanische Dichtungen, Lager und Schneidwerkzeuge macht.

Hohe-Temperaturbeständigkeit
Die Beständigkeit von Siliziumkarbid gegenüber hohen Temperaturen und Thermoschocks ist die Eigenschaft, die den Einsatz von SiC bei der Herstellung von Schamottsteinen und anderen feuerfesten Materialien ermöglicht. Die Zersetzung von Siliziumkarbid beginnt bei 2000 Grad

Leitfähigkeit
Wenn SiC gereinigt wird, zeigt es das Verhalten eines elektrischen Isolators. Aufgrund der vorherrschenden Verunreinigungen können Siliziumkarbide jedoch die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters aufweisen. Beispielsweise führt die Einführung unterschiedlicher Mengen an Aluminium durch Dotierung zu einem Halbleiter vom p--Typ. Typischerweise hat SiC in Industriequalität eine Reinheit von etwa 98 bis 99,5 %. Häufige Verunreinigungen sind Aluminium, Eisen, Sauerstoff und freier Kohlenstoff

Chemische Stabilität
Siliziumkarbid ist eine stabile und chemisch inerte Substanz mit hoher Korrosionsbeständigkeit, selbst wenn es Säuren (Salz-, Schwefel- oder Flusssäure) oder Basen (konzentrierte Natriumhydroxide) ausgesetzt oder gekocht wird. Es wurde festgestellt, dass es in Chlor reagiert, jedoch erst bei einer Temperatur von 900 Grad und mehr. Siliziumkarbid beginnt in der Luft eine Oxidationsreaktion, wenn die Temperatur etwa 850 Grad beträgt, und bildet SiO2

Die Vorteile von Siliziumkarbid

Höhere Temperaturfähigkeit:SiC kann bei viel höheren Temperaturen als Silizium betrieben werden, oft bis zu 400 °C und möglicherweise bis zu 800 °C, was effizientere elektronische Geräte ermöglicht, die extreme Bedingungen ohne wesentliche Leistungseinbußen bewältigen können. Diese beeindruckende Fähigkeit ist auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC und die geringe intrinsische Ladungsträgerkonzentration zurückzuführen. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass ein SiC-Transistor einen viel kleineren Kühlkörper als ein gleichwertiger Siliziumchip oder einen vergleichbaren Kühlkörper verwenden kann und viel mehr Wärme verträgt. Eine niedrige Konzentration an Ladungsträgern bei Raumtemperatur bedeutet, dass SiC eine größere elektrische Belastung tolerieren kann, bevor sich thermisch freigesetzte Elektronen zu den intrinsischen Ladungsträgern hinzufügen, den Transistor überfluten und ihn in der „Ein“-Position (leitenden Zustand) verriegeln.

Höhere Durchbruchspannung:SiC hat eine etwa achtmal höhere Durchbruchspannung als Silizium (~300 kV/cm gegenüber 2400 kV/cm), was bedeutet, dass es höheren Spannungen standhalten kann, bevor es zu einem unvorhersehbaren Leitungsverhalten und möglicherweise zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Kleinerer Formfaktor:Dieser Vorteil ergibt sich aus der höheren Durchbruchspannung und Wärmeleitfähigkeit von SiC im Vergleich zu Silizium. Wenn ein Silizium- und ein Siliziumkarbid-Transistor so ausgelegt wären, dass sie jeweils der gleichen Durchbruchspannung standhalten, müsste der herkömmliche Silizium-Transistor viel größer sein als der SiC-Transistor. Der kleinere SiC-Transistor könnte nur 0,25–0,5 % des „Ein“-Widerstands haben wie der größere Siliziumtransistor. Diese Eigenschaft ermöglicht den Entwurf effizienterer und kompakterer Leistungselektroniksysteme mit geringeren Leistungsverlusten.

Höhere Schaltfrequenzen:Der kleinere Formfaktor von SiC-Transistoren und die daraus resultierende höhere Schaltfrequenz ermöglichen die Entwicklung leichterer und kostengünstigerer Induktivitäten und Kondensatoren für den Einsatz in einem Leistungswandler, wie er zum Laden von EV-Batterien verwendet wird.

Wie wird Siliziumkarbid hergestellt?

Die einfachste Methode zur Herstellung von Siliziumkarbid besteht darin, Quarzsand und Kohlenstoff, beispielsweise Kohle, bei hohen Temperaturen – bis zu 2500 Grad Celsius – zu schmelzen. Dunklere, gebräuchlichere Versionen von Siliziumkarbid enthalten oft Eisen- und Kohlenstoffverunreinigungen, aber reine SiC-Kristalle sind farblos und bilden sich, wenn Siliziumkarbid bei 2700 Grad Celsius sublimiert. Nach dem Erhitzen lagern sich diese Kristalle bei einer kühleren Temperatur auf dem Graphit ab, ein Prozess, der als Lely-Methode bekannt ist.

Lely-Methode

Bei diesem Prozess wird ein Granittiegel üblicherweise durch Induktion auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um Siliziumkarbidpulver zu sublimieren. Ein Graphitstab mit niedrigerer Temperatur schwebt in der Gasmischung, was von Natur aus die Ablagerung und Bildung von Kristallen des reinen Siliziumkarbids ermöglicht.

Chemische Gasphasenabscheidung

Alternativ züchten Hersteller kubisches SiC mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidung, die häufig in kohlenstoffbasierten Syntheseprozessen und in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird. Bei dieser Methode gelangt eine spezielle chemische Gasmischung in eine Vakuumumgebung und verbindet sich, bevor sie auf einem Substrat abgeschieden wird.
Beide Methoden zur Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern erfordern enorme Mengen an Energie, Ausrüstung und Wissen, um erfolgreich zu sein.

Wozu dient Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid wird in militärischen kugelsicheren Rüstungen verwendet
Siliziumkarbid wird zur Herstellung kugelsicherer Panzerungen verwendet. Die Eigenschaft dieser Verbindung, die sie für einen solchen Zweck geeignet macht, ist ihre Härte. Kugeln und andere schädliche Gegenstände müssen sich mit den harten Keramikblöcken auseinandersetzen, die Siliziumkarbid bildet. Kugeln können die Keramikblöcke nicht durchdringen.

Siliziumkarbid wird in Halbleitern verwendet
Siliziumkarbid wird zu einem Halbleiter, wenn ihm Dotierstoffe hinzugefügt werden. Dotierstoffe wie Bor und Aluminium, die Siliziumkarbid zugesetzt werden, machen es zu einem Halbleiter vom Typ ap-. Andererseits machen Dotierungsmittel wie Stickstoff und Phosphor, die dem Siliziumkarbid zugesetzt werden, es zu einem Halbleiter vom Typ n-.

Siliziumkarbid wird in Schleifmitteln verwendet
Siliziumkarbid wird aufgrund seiner Härte häufig als Schleifmittel verwendet. Es wird bei der Herstellung von Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Schleifpapier verwendet. Siliziumkarbid-Schleifmittel sind in der Regel günstiger als andere Schleifmittel ähnlicher Qualität. Die Schleifmittel werden zum Schleifen von Materialien wie Stahl, Aluminium, Gusseisen und Gummi verwendet.

Siliziumkarbid wird in Elektrofahrzeugen verwendet
Für den Antrieb von Elektrofahrzeugen ist Siliziumkarbid die bessere Wahl als Silizium. Mit Siliziumkarbid betriebene Elektrofahrzeuge sind hocheffizient und kostengünstig.

Siliziumkarbid wird in Schmuck verwendet
Siliziumkarbid ähnelt strukturell Diamant, ist jedoch glänzender, billiger, haltbarer und leichter als Diamant und stellt in der Schmuckindustrie eine wohlverdiente Alternative zu Diamant dar.

Siliziumkarbid wird in Kraftstoffen verwendet
Neben seinen anderen Verwendungszwecken wird Siliziumkarbid auch als Brennstoff verwendet. Es wird als Brennstoff bei der Stahlherstellung verwendet und produziert reineren Stahl als die meisten anderen Brennstoffe. Außerdem ist es ein billigerer und umweltfreundlicher-Kraftstoff.

Siliziumkarbid wird in LEDs verwendet
Die ersten produzierten Leuchtdioden (LEDs) nutzten die Siliziumkarbid-Technologie. Daraus wurden blaue, rote und gelbe LEDs hergestellt. LEDs werden in Fernsehgeräten, Anzeigetafeln und Computern verwendet.

Zertifizierungen

Häufige Probleme von Siliziumkarbid

F: Welche Anwendungen gibt es für SiC in elektronischen Geräten?

A: Siliziumkarbid ist ein Halbleiter, der sich perfekt für Energieanwendungen eignet, vor allem dank seiner Fähigkeit, hohen Spannungen standzuhalten, die bis zu zehnmal höher sind als bei Silizium. Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid bieten eine höhere Wärmeleitfähigkeit, eine höhere Elektronenmobilität und geringere Leistungsverluste. SiC-Dioden und -Transistoren können auch bei höheren Frequenzen und Temperaturen betrieben werden, ohne dass die Zuverlässigkeit darunter leidet. Zu den Hauptanwendungen von SiC-Bauelementen wie Schottky-Dioden und FET/MOSFET-Transistoren gehören Wandler, Wechselrichter, Netzteile, Batterieladegeräte und Motorsteuerungssysteme.

F: Warum übertrifft SiC Si in Energieanwendungen?

A: Obwohl Silizium der am weitesten verbreitete Halbleiter in der Elektronik ist, weist es allmählich einige Einschränkungen auf, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen. Ein relevanter Faktor bei diesen Anwendungen ist die Bandlücke oder Energielücke, die der Halbleiter bietet. Wenn die Bandlücke groß ist, kann die verwendete Elektronik kleiner, schneller und zuverlässiger sein. Er kann auch bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen betrieben werden als andere Halbleiter. Während Silizium eine Bandlücke von etwa 1,12 eV aufweist, weist Siliziumkarbid einen fast dreimal größeren Wert von etwa 3,26 eV auf.

F: Welche Verunreinigungen werden zum Dotieren von Siliziumkarbidmaterial verwendet?

A: In seiner reinen Form verhält sich Siliziumkarbid wie ein elektrischer Isolator. Durch die kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierstoffen kann sich SiC wie ein Halbleiter verhalten. Ein Halbleiter vom Typ AP- kann durch Dotierung mit Aluminium, Bor oder Gallium erhalten werden, während Verunreinigungen von Stickstoff und Phosphor zu einem Halbleiter vom Typ N- führen. Siliziumkarbid kann unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leiten, unter anderen jedoch nicht. Dies hängt von Faktoren wie der Spannung oder Intensität von Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht und ultravioletten Strahlen ab. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist Siliziumkarbid in der Lage, die für die Geräteherstellung erforderlichen P--Typ- und N--Typ-Bereiche über weite Bereiche zu steuern. Aus diesen Gründen ist SiC ein Material, das für Leistungsgeräte geeignet ist und die Einschränkungen von Silizium überwinden kann.

F: Wie können SiC-Halbleiter ein besseres Wärmemanagement als Silizium erreichen?

A: Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Wärmeleitfähigkeit. Sie gibt an, wie der Halbleiter die von ihm erzeugte Wärme ableiten kann. Wenn ein Halbleiter nicht in der Lage ist, Wärme effektiv abzuleiten, wird eine Begrenzung der maximalen Betriebsspannung und Temperatur eingeführt, der das Gerät standhalten kann. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Siliziumkarbid Silizium übertrifft: Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid beträgt 1490 W/m-K, verglichen mit 150 W/m-K von Silizium.

F: Was sind die Rohstoffe für Siliziumkarbid?

A: Die Hauptrohstoffe sind SiO2 und C, die bei hoher Temperatur zur Reaktion gebracht werden. Außerdem werden Sägemehl und (manchmal) Salz hinzugefügt, damit das Sägemehl verbrennt und Poren bildet, wodurch das Entweichen der entstehenden Gase (bei hoher Temperatur) erleichtert wird. Das Brennen erfolgt etwa 40 Stunden lang und nach dem Abkühlen werden die Seitenwände entfernt.

F: Wie erhält man Siliziumkarbid?

A: Typischerweise wird Siliziumkarbid mithilfe des Acheson-Verfahrens hergestellt, bei dem Quarzsand und Kohlenstoff in einem Acheson-Graphit-Widerstandsofen auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Es kann als feines Pulver oder als gebundene Masse vorliegen, die zerkleinert und gemahlen werden muss, bevor sie als Pulverrohstoff verwendet werden kann.

F: Ist Siliziumkarbid schwer herzustellen?

A: Der einfachste Prozess zur Herstellung von Siliziumkarbid besteht darin, Quarzsand und Kohlenstoff in einem Acheson-Graphit-Elektrowiderstandsofen bei einer hohen Temperatur zwischen 1.600 Grad (2.910 Grad F) und 2.500 Grad (4.530 Grad F) zu kombinieren.

F: Was sind die Hauptanwendungen von Siliziumkarbid?

A: Siliziumkarbid ist aufgrund seiner Haltbarkeit und der relativ geringen Materialkosten ein sehr beliebtes Schleifmittel in der modernen Steinbearbeitung. Es ist daher von entscheidender Bedeutung für die Kunstindustrie. In der Fertigungsindustrie wird diese Verbindung aufgrund ihrer Härte in verschiedenen abrasiven Bearbeitungsprozessen wie Honen, Schleifen, Wasserstrahlschneiden und Sandstrahlen verwendet.

F: Ist Siliziumkarbid wasserlöslich?

A: Siliziumkarbid ist in Wasser unlöslich. Es ist jedoch in geschmolzenen Alkalien (wie NaOH und KOH) und auch in geschmolzenem Eisen löslich. Siliziumkarbid kann als Organosiliciumverbindung betrachtet werden.

F: Kann Siliziumkarbid Strom leiten?

A: Ja, aber unter bestimmten Bedingungen.
Siliziumkarbid verhält sich in seiner reinen Form wie ein elektrischer Isolator. Durch die kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierungsmitteln und da SiC über den erforderlichen Widerstand verfügt, kann es jedoch halbleitende Eigenschaften aufweisen; Mit anderen Worten: Als Halbleiter lässt er weder einen freien-fließenden Strom zu, noch stößt er ihn vollständig ab.

F: Woher bekommen wir Siliziumkarbid?

A: Siliziumkarbid (SiC) oder Karborund ist ein synthetisches Schleifmittel, das durch die Fusion von hochwertigem Quarzsand und fein gemahlenem Kohlenstoff (Petrolkoks) in einem Elektroofen bei hoher Temperatur (1600–2500 Grad) hergestellt wird.

F: Ist Siliziumkarbid stärker als Diamant?

A: Siliziumkarbid ist mit einer Mohs-Härte von 9,5 hart und liegt damit nach dem härtesten Diamanten der Welt an zweiter Stelle. Darüber hinaus verfügt Siliziumkarbid über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Es ist eine Art Halbleiter und kann der Oxidation bei hohen Temperaturen widerstehen.

F: Womit reagiert Siliziumkarbid?

A: Das SiC-Pulver kann mit Kohlenstoff- und/oder Siliziumpulver gemischt, in Formen gebracht und dann bei hoher Temperatur reagiert werden, um selbst{0}}gebundenes (Si+C bildet SiC zur Bindung von Körnern), nitridgebundenes (Silizium reagiert mit N2 zu Si3N4) oder siliziumgebundenes (silikonisiertes SiC) Siliziumkarbid zu bilden.

F: Welche verschiedenen Arten von SiC-Kristallen gibt es?

A: Die Kristallstrukturen von SiC sind kubisch, hexagonal und rhomboedrisch. Das für SiC verwendete Notationssystem gibt die Anzahl der Schichten in der Atomstapelfolge und einen Buchstaben an, der die Kristallstruktur des Polytyps darstellt (C für kubisch, H für hexagonal und R für rhomboedrisch).

F: Was ist der Unterschied zwischen Alpha- und Beta-Siliziumkarbid?

A: Was die beiden Formen von Siliziumkarbid unterscheidet, ist die mikrokristalline Struktur. Während Beta-Siliciumcarbid eine kubische mikrokristalline Struktur aufweist, weist alpha-kristallines Carbid eine sphärische mikrokristalline Struktur auf.

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