على 05/07/2024 298

الكربريد السيليكون المكشف النقاب عن السيليكون: الخصائص والأساليب والتطبيقات

تستكشف هذه المقالة الصفات الفريدة لـ SIC ، بما في ذلك هيكلها ، ومقاومة الحرارة ، والاستقرار الكيميائي ، والقوة الميكانيكية ، والتي تجعلها أفضل من المواد التقليدية مثل السيليكون ونيتريد الغاليوم والجرمانيوم.كما أنه يبحث في طرق مختلفة يتم إنتاج SIC مثل عملية Acheson ، وترسب البخار الكيميائي ، وعملية Lely المعدلة وكيف تعمل هذه الأساليب على تحسين نقاءها وأدائها للأغراض الصناعية.تقارن المقالة أيضًا خصائص SIC الكهربائية والحرارية والميكانيكية مع أشباه الموصلات الأخرى ، مما يبرز استخدامه المتزايد في الأسواق التي تحتاج إلى كثافة عالية الطاقة ، والكفاءة الحرارية ، والمتانة.

كتالوج

الشكل 1: مقربة من يد المرأة تحمل كربيد السيليكون (SIC) (AKA Carborundum أو Moissanite)

خصائص كربيد السيليكون (SIC)

الشكل 2: كربيد السيليكون في طبق بتري

الشكل الأكثر شيوعًا من كربيد السيليكون هو كربيد السيليكون ألفا (α-SIC).وهو يتشكل في درجات حرارة تزيد عن 1700 درجة مئوية وله شكل بلوري سداسي مثل Wurtzite.عندما تكون درجة الحرارة أقل من 1700 درجة مئوية ، يتم إنتاج كربيد السيليكون بيتا (β-SIC).يحتوي هذا الإصدار على بنية بلورية مماثلة لتلك الموجودة في الماس.

الشكل 3: كربيد السيليكون ألفا (α-SIC)

الشكل 4: كربيد السيليكون بيتا (β-SIC)

الشكل 5: مقياس صلابة MOHS

يعد كربيد السيليكون أحد أصعب المواد بعد الماس ، مع صلابة MOHS حوالي 9 إلى 9.5. يمكن أن تختلف صلابة knoop بناءً على شكلها ونقهتها ، لكنها عالية جدًا بشكل عام ، وغالبًا ما تتراوح بين 2،480 و 3000 كجم/ملم.

يمكن للسيليكون كربيد يمكن أن يقاوم الضغط العالي للغاية ، وغالبًا ما يكون أكثر من 3000 ميجا باسكال ، يتمتع بقوة ثني عالية ، عادة ما بين 400 و 500 ميجا باسكال ، ولديه قوة سحب جيدة ، بين 250 و 410 ميجا باسكال.

صلابة طرق الاختبار	امتحان نطاق القيمة	محدد القيم (كربيد السيليكون الأسود)	محدد القيم (كربيد السيليكون الأخضر)
برينيل صلابة	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
فيكرز صلابة	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
صلابة روكويل	-	83-87 HRA	87-92 HRA
صلابة موس	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

يقوم SIC بإجراء الحرارة بشكل جيد ، مع حراري الموصلية لحوالي 120 واط/م ، مما يجعلها رائعة إدارة الحرارة في الإلكترونيات.عند 20 درجة مئوية ، يجري الحرارة عند حوالي 0.41 واط في المائة لكل درجة مئوية (ث/سم درجة مئوية).ولكن عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية ، انخفض توصيل الحرارة إلى حوالي 0.21 واط/سم درجة مئوية.

علاوة على ذلك ، يتأثر كربيد السيليكون (SIC) بسرعة بمعظم المعادن ، ويذوب أكسيد المعادن ، ويذوب القلوية ، لكنه لا يذوب في الأحماض أو القواعد.تشمل الشوائب في كربيد السيليكون التقني عادة الكربون الحر (C) وثاني أكسيد السيليكون (SIO2) ، مع كميات صغيرة من السيليكون (SI) ، الحديد (FE) ، الألومنيوم (AL) ، والكالسيوم (CA).الوزن الجزيئي لـ SIC هو 40.096.يتكون SIC النقي من 70.05 ٪ من السيليكون (SI) و 29.95 ٪ من الكربون (C).

الشكل 6: التركيب الكيميائي للسيليكون كربيد (SIC)

الشكل 7: التركيب الكيميائي للسيليكون (SIC)

خصائص من نوع N-type و P-type Carbide (SIC)

كربيد السيليكون من النوع N (كذا)

كربيد السيليكون (SIC) هو مادة صعبة تستخدم في تطبيقات الضغط العالي لأنها تعالج الحرارة بشكل جيد وقوي للغاية.لجعل n-type siC ، تتم إضافة الشوائب ، وهي عملية تسمى تعاطي المنشطات ، والتي تغير خصائصها الكهربائية.تتم إضافة عناصر مثل النيتروجين أو الفوسفور ، والتي لها إلكترونات تكافؤ أكثر من السيليكون ، لزيادة عدد الإلكترونات الحرة في بنية SIC.هذا يخلق مادة سالبة الشحنة ، أو "نوع n" ،.

هذه الإلكترونات الحرة تعمل بشكل كبير على تحسين الموصلية الكهربائية لـ SIC.في SIC من النوع N ، يمكن للإلكترونات التحرك بسهولة أكبر بمقارنة SIC النقي ، حيث تكون حركتها محدودة.تجعل حركة الإلكترون الأفضل هذه من النوع N مثاليًا لإلكترونيات الطاقة والأجهزة عالية التردد حيث يتدفق إلكترون سريع وفعال.على الرغم من أن N-type SIC لديها توصيل أفضل ، إلا أنها لا تجري الكهرباء وكذلك المعادن ، مع الحفاظ على خصائصها شبه الموصل.يسمح هذا التوازن بالتحكم الدقيق في تدفق الإلكترون في الأجهزة الإلكترونية المختلفة.

كربيد السيليكون من النوع P (كذا)

يعمل كربيد السيليكون من النوع P بشكل مختلف عن نسخته N-type.يتضمن المنشطات من النوع P إضافة عناصر مثل البورون أو الألومنيوم ، والتي تحتوي على إلكترونات تكافؤ أقل من السيليكون.هذا يخلق "ثقوب" أو مساحات حيث تكون الإلكترونات مفقودة ، مما يمنح المادة شحنة إيجابية وجعلها "نوع p".تساعد هذه الثقوب على حمل التيار الكهربائي من خلال السماح بالشحنات الإيجابية بالتحرك.

لماذا يفضل سيليكون كربيد (كذا)؟

الشكل 8: مواد أشباه الموصلات

يوفر الجدول أدناه مقارنة مفصلة بين أربع مواد أشباه الموصلات: السيليكون (SI) ، نيتريد الغاليوم (GAN) ، الجرمانيوم (GE) ، والكربيد السيليكون (SIC).يتم تنظيم المقارنة في فئات مختلفة.

وجه	السيليكون (SI)	غاليوم النيتريد (GAN)	الجرمانيوم (GE)	السيليكون كربيد (كذا)
الخصائص الكهربائية	العمليات الناضجة ، فجوة النطاق 1.1 فولت ، محدودة في الطاقة العالية/التردد	تنقل الإلكترون العالي ، 3.4 ev bandgap ، تطبيقات الطاقة العالية/التردد	عالي التنقل الإلكترون ، 0.66 ev bandgap ، عالية تسرب	فجوة واسعة من 3.2 فولت ، فعالة في ارتفاع الفولتية/درجات الحرارة ، تسرب منخفض
الخصائص الحرارية	الموصلية الحرارية المعتدلة ، يمكن أن تحد استخدامات الطاقة العالية	أفضل من السيليكون ولكن يتطلب المتقدم تبريد	الموصلية الحرارية المنخفضة من السيليكون	الموصلية الحرارية العالية ، الحرارة الفعالة تبديد
الخصائص الميكانيكية	هش ، كافية لمعظم الاستخدامات	هش ، عرضة للتصدع على عدم التوافق ركائز	أكثر هشا من السيليكون	قاسية ، قوية ، مناسبة للمتانة العالية التطبيقات
تبني السوق	المهيمنة بسبب البنية التحتية المعمول بها وتكلفة منخفضة	شعبية في الاتصالات والدفاع ، محدودة من قبل تكلفة عالية	محدودة بسبب خصائص أقل مواتاة	كثافة طاقة عالية ، تشغيل درجة حرارة عالية ، الكفاءة ، المتانة ، تخفيض التكاليف المستمر

صنع كربيد السيليكون (كذا)

لصنع كربيد السيليكون ، عادةً ما تسخن رمال السيليكا والأشياء الغنية بالكربون مثل الفحم إلى حوالي 2500 درجة مئوية.هذا يمنحك كربيد سيليكون أغمق مع بعض الشوائب الحديد والكربون.يمكن تصنيع كربيد السيليكون من خلال أربع طرق رئيسية ، ولكل منها فوائد مميزة مصممة لاستخدامات معينة.وتشمل هذه الطرق:

رد فعل كربيد السيليكون المستعبدين (RBSC)

يتكون كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSC) من مزيج مختلط بدقة من كربيد السيليكون والكربون.يتم تسخين الخليط إلى درجة حرارة عالية ويتعرض للسيليكون السائل أو البخار.يتفاعل السيليكون والكربون لتشكيل المزيد من كربيد السيليكون ، ويملأ السيليكون أي مسام بقايا.مثل نيتريد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSN) ، يتغير RBSC القليل جدًا أثناء التلبد.عندما تصل هذه المنتجات إلى نقطة ذوبان السيليكون ، تبقى قوية تقريبًا كما كانت من قبل.تحظى RBSC بشعبية في صناعة السيراميك لأنها فعالة من حيث التكلفة ويمكن تشكيلها في تصميمات معقدة.

الشكل 9: رد فعل كربيد السيليكون المستعبدين

رد الفعل المرتبط بالسيليكون كربيد (RBSC):

الجمع بين جزيئات كربيد السيليكون الخشنة مع السيليكون والملدنات.تخلط حتى يتم تحقيق مزيج موحد.

آلة الخليط في الأشكال والأشكال المطلوبة.ضمان الدقة في الهندسة لمطابقة المواصفات النهائية ؛

ضع القطع ذات الشكل في فرن درجة حرارة عالية.الحرارة إلى درجة حرارة تسبب تفاعل بين جزيئات السيليكون والسيليكون كربيد ؛

يتفاعل السيليكون مع كربيد السيليكون ، وترابط المصفوفة وزيادة القوة والمتانة ؛

السماح للقطع أن تبرد تدريجياً إلى درجة حرارة الغرفة ؛

تلميع القطع المبردة لتلبية المواصفات الدقيقة وتعزيز الانتهاء من السطح.

تعديل عملية LELY

الشكل 10: عملية ليلي المعدلة

تم إنشاؤها في عام 1978 بواسطة Tairov و Tsvetkov ، وتسمى الطريقة أيضًا طريقة التعديل.تعمل عملية Lely المعدلة على تحسين توليف بلورات كربيد السيليكون.إنه يتضمن التدفئة ثم تبريد مسحوق كذا في حاوية شبه مخصصة ، مما يسمح له بتكوين بلورات على البذور التي يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة أكثر برودة قليلاً.

إجراء عملية LELY المعدلة:

امزج مساحيق السيليكون والكربون تمامًا.ضع الخليط في بوتقة الجرافيت.

ضع بوتقة في الفرن.تسخين إلى حوالي 2000 درجة مئوية في بيئة غاز فراغ أو خامل لمنع الأكسدة ؛

مزيج كربيد السيليكون يسامي ، يتغير من صلبة إلى غاز.

تودع أبخرة السيليكون كربيد على قضيب الجرافيت مركزيا.تشكل بلورات واحدة من SIC عالي النقاء على قضيب.

تبرد بعناية النظام إلى درجة حرارة الغرفة.

استخراج بلورات كربيد السيليكون عالية النقاء من قضيب الجرافيت للاستخدام في التطبيقات عالية التقنية.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

الشكل 11: ترسب البخار الكيميائي (CVD)

تم استخدام مركب السيلان التفاعلي ، والهيدروجين ، والنيتروجين في طريقة ترسب البخار الكيميائي (CVD) لإنتاج كربيد السيليكون (SIC) في درجات حرارة بين 1073 و 1473 كل.يتم التحكم فيها.في عملية الأمراض القلبية الوعائية لكربيد السيليكون ، يتم خلط الهيدروجين والهيدروجين ميثيل تريكلوروسيلان (MTs) على سطح في درجة حرارة عالية وضغط منخفض لإنشاء طبقة محكومة من كربيد السيليكون الكثيف.

إجراء ترسيب البخار الكيميائي (CVD):

تحضير رباعي كلوريد السيليكون (SICL4) والميثان (CH4) كمصادر كيميائية أولية ؛

ضع رباعي كلوريد السيليكون والميثان في مفاعل درجة حرارة عالية ؛

تسخين المفاعل إلى درجة الحرارة المطلوبة لبدء التفاعلات الكيميائية ؛

تسبب بيئة درجات الحرارة العالية ردود الفعل بين رباعي كلوريد السيليكون والميثان.تشكل ردود الفعل هذه كربيد السيليكون (SIC) ؛

يتشكل كربيد السيليكون والودائع على الركائز المطلوبة داخل المفاعل ؛

السماح للمفاعل ومحتوياته أن يبرد تدريجياً ؛

استخراج الركائز أو المكونات المطلية.إجراء أي عمليات تشطيب لتلبية المواصفات النهائية.

عملية Acheson

الشكل 12: عملية Acheson

الطريقة الأكثر شيوعًا لجعل SIC هي طريقة Acheson.ابتكر إدوارد جودريتش أتشسون هذه العملية في عام 1893 لإنتاج SIC والجرافيت.تستخدم العديد من نباتات كربيد السيليكون هذه الطريقة منذ ذلك الحين.

إجراء عملية Acheson:

امزج رمل السيليكا مع فحم الكوك جيدًا ؛

رتب المزيج حول قضيب الجرافيت المركزي في فرن المقاومة الكهربائية ؛

تسخين الفرن إلى ما يقرب من 2500 درجة مئوية.الحفاظ على درجة الحرارة لدفع التفاعل الكيميائي.

تؤدي الحرارة المكثفة إلى رد فعل السيليكا والكربون ، وتشكيل كربيد السيليكون ؛

السماح للفرن أن يبرد تدريجيا.

استخراج كربيد السيليكون المكون من الفرن.

مزيد من معالجة كربيد السيليكون كلما لزم الأمر.

يوفر هذا الجدول مقارنة مبسطة لأربع طرق تستخدم لإنتاج كربيد السيليكون (SIC).يهدف إلى المساعدة في فهم المزايا الفريدة وأفضل استخدامات كل تقنية إنتاج.

طريقة	المزايا	أفضل يستخدم
رد فعل كربيد السيليكون المستعبدين (RBSC)	يجعل أجزاء قوية ودائمة جيد للأشكال المعقدة تشوه بسيط	طلاء الدروع ، فوهات عالية الأداء
تعديل عملية LELY	بلورات نقية جدا هيكل مثالي سيطرة أفضل على العملية	أشباه الموصلات ، الحوسبة الكمومية
ترسيب البخار الكيميائي (CVD)	حتى التكوين نقاء عالية يمكن استخدام مواد مختلفة	الطلاء المقاوم للارتداء ، مقاوم للتآكل الطلاء ، صناعة أشباه الموصلات
عملية Acheson	تكلفة بسيطة ومنخفضة يمكن أن تنتج كميات كبيرة بلورات متسقة عالية الجودة	كاشطات ، مواد حرارية

كربيد السيليكون (SIC) في التطبيقات الحديثة

في صناعة السيارات ، وخاصة بالنسبة للسيارات الكهربائية ، يحسن SIC أداء العاكس ويجعل أنظمة إدارة البطارية أصغر ، مما يمتد إلى نطاق المركبات وتكاليف القطع.يقدر جولدمان ساكس أن هذه التحسينات يمكن أن توفر حوالي 2000 دولار لكل مركبة.

الشكل 13: فرامل قرص كربيد السيليكون

في الطاقة الشمسية ، يزيد SIC من كفاءة العاكس ، مما يتيح سرعات تبديل أعلى ، مما يقلل من حجم الدائرة والتكاليف.إن المتانة والأداء المستقر يجعلها أفضل من مواد مثل نيتريد غاليوم لتطبيقات الطاقة الشمسية.

الشكل 14: SIC لأنظمة الطاقة الشمسية

في الاتصالات السلكية واللاسلكية ، تتيح الإدارة الحرارية الممتازة للأجهزة التعامل مع كثافات الطاقة العليا ، وتحسين الأداء في المحطات الأساسية الخلوية ودعم طرح 5G.تلبي هذه التطورات الحاجة إلى أداء أفضل وكفاءة الطاقة في الاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي.

الشكل 15: الجيل الثالث سيليكون أشباه الموصلات كربيد

في الإعدادات الصناعية ، يقاوم SIC البيئات القاسية والفولتية العالية ، مما يسمح بتصميمات مبسطة مع أقل تبريد ، وكفاءة أعلى ، وخفض التكاليف ، وتعزيز أداء النظام.

الشكل 16: صنع الصلب مع كربيد السيليكون

في الدفاع والفضاء ، يتم استخدام SIC في أنظمة الرادار والمركبات الفضائية وإلكترونيات الطائرات.تكون مكونات SIC أخف وزناً وأكثر كفاءة من السيليكون ، وهي الأفضل للبعثات الفضائية حيث تقلل من تكاليف تخفيضات الوزن.

الشكل 17: إنتاج وتطبيقات SIC من طرف إلى طرف

خاتمة

أصبح كربيد السيليكون (SIC) هو المادة التي تنطلق للعديد من التطبيقات عالية الطلب بسبب خصائصها الممتازة وتقنيات الإنتاج المحسنة.من خلال فجوة النطاق العريض ، والتوصيل الحراري الكبير ، والخصائص الميكانيكية القوية ، يعد SIC مثاليًا للبيئات الصعبة التي تحتاج إلى مقاومة عالية الطاقة ومقاومة للحرارة.توضح نظرة مفصلة المقالة على أساليب إنتاج SIC كيف تسمح التطورات في علوم المواد بتخصيص خصائص SIC لتلبية احتياجات صناعية محددة.مع انتقال الصناعات نحو الأجهزة الأكثر كفاءة وضغوط ، تلعب SIC دورًا في تقنيات السيارات ، الطاقة الشمسية ، الاتصالات السلكية واللاسلكية ، وتقنيات الفضاء الجوي.من المتوقع أن تزيد الأبحاث المستمرة لتقليل التكاليف وتحسين جودة SIC من وجودها في السوق ، مما يعزز دوره المهم في مستقبل مواد أشباه الموصلات والتطبيقات عالية الأداء.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. من يستخدم كربيد السيليكون؟

يتم استخدام كربيد السيليكون من قبل الصناعات والمهنيين الذين يعملون في الإلكترونيات والسيارات والفضاء والتصنيع.يعتمد المهندسون والفنيون عليها بسبب متانتها وكفاءتها في بيئات الضغط العالي.

2. ما هي أشباه الموصلات كربيد السيليكون المستخدم؟

يتم استخدام أشباه الموصلات كربيد السيليكون لتطبيقات الطاقة العالية ودرجات الحرارة العالية.يتم استخدامه في أجهزة الطاقة للسيارات الكهربائية لإدارة الطاقة بكفاءة ، وفي الثنائيات والترانزستورات الموجودة في تقنيات الطاقة المتجددة والتطبيقات عالية الطاقة مثل أنظمة السكك الحديدية.

3. ما هو تطبيق SIC CARBIDE SIC؟

تشمل تطبيقات كربيد السيليكون (SIC):

إلكترونيات الطاقة: تحويل وإدارة الطاقة الفعالة.

المركبات الكهربائية: الأداء والمدى المحسّن.

العولات الشمسية: زيادة إنتاج الطاقة والموثوقية.

الطيران: مكونات عالية الحرارة وعالية الإجهاد.

المعدات الصناعية: أجزاء قوية وطويلة الأمد.

4. ما هي المنتجات المصنوعة من كربيد السيليكون؟

تتراوح المنتجات المصنوعة من كربيد السيليكون من أشباه الموصلات والأجهزة الإلكترونية إلى الكاشطات وأدوات القطع وعناصر التدفئة.كما أنه يستخدم في الدروع والمعدات الواقية بسبب صلابة ومقاومته الحرارية.

5. أين يتم إنتاج كربيد السيليكون؟

يتم إنتاج كربيد السيليكون في منشآت متخصصة ، في المقام الأول في الولايات المتحدة و China وأوروبا.تعمل الشركات على الأفران عالية الحرارة لتجميع SIC من مواد خام مثل الرمال الكوارتز وفحم الكوك البترول.

6. ما هو الفرق بين السيليكون والكربيد السيليكون؟

يكمن الفرق بين السيليكون والسيليكون كربيد في خصائصها والتطبيقات.السيليكون هو عنصر نقي يستخدم في أجهزة أشباه الموصلات القياسية والألواح الشمسية ، في حين أن كربيد السيليكون هو مركب معروف بصياغةه ، وموصلية حرارية عالية ، وقدرة على العمل في الفولتية العليا ودرجات الحرارة.هذا يجعل SIC مثاليًا لتطبيقات الطاقة العالية ودرجات الحرارة العالية ، حيث ستفشل السيليكون.