Карбид кремния

Технология получения

Цель переработки сырья – максимально чистое вещество.

В лабораториях процедура следующая:

1. Добывают силицид магния.
2. Воздействуют на вещество уксусной либо соляной кислотой.
3. Образовавшийся моносилан очищают (сорбентами, ректификаторами), нагревают до 1050°C.

В результате получают водород и кремний.

Для промышленников сырьем служит белый песок мелких фракций (диоксид вещества с формулой SiO2).

Кристалл кремния

Способ получения неметалла предусматривает следующие этапы:

1. Прокаливание смеси сырья с магнием до образования аморфной модификации. Продукт выглядит как буроватый порошок.
2. Технически чистый материал (99,9%) получают в печи при 1780°C. Из расплава диоксида вещество восстанавливают коксом.
3. При необходимости изымают углерод, другие примеси.

Очищают кремний прямым хлорированием. Из полученных соединений изымают примеси, восстанавливают водородом при 910-1150°C.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

Новые технологии очистки предусматривают замену хлора фтором: это экологичнее и рентабельнее. Есть способы получения вещества на основе дистилляции оксида неметалла, вытравкой примесей.

Применение материала

Основной областью применения карбида кремния является электроника и энергетика. Это вещество используется при производстве полупроводниковых механизмов, светодиодов, резисторов, транзисторов и счетчиков энергии. Эти приспособления обладают высокой прочностью и могут стабильно функционировать в течение 10 лет. Они применяются в высокочастотной электронике. Изделия из карбида кремния отличаются следующими свойствами:

1. Обладают большой шириной запрещенной зоны;
2. Могут функционировать при высоких температурах (до 600 °C);
3. Располагают повышенной теплопроводностью, в отличие от приборов, выполненных из арсенида галлия и иных минералов.
4. Устойчивы к радиации и воздействию электрических зарядов.

Благодаря высокой огнеупорности и теплостойкости материала, он активно применяется в металлургии и химической промышленности. Из твердого раствора карборунда изготавливается множество нагревательных приборов, способны работать при высоких температурах (до 2000 °C). Эти приспособления могут функционировать в нейтральных или восстановленных средах. Нагревательные элементы активно используются при термообработке металлических деталей для керамических приборов и электронных компонентах.

Карбид кремния применяется в качестве абразива, что обусловлено высокой прочностью и низкой стоимостью химического соединения. При абразивной обработке этот материал используется в следующих процессах:

• шлифование;
• ламинирование бумажных изделий;
• пескоструйная обработка;
• хонингование;
• водоструйная резка.

Карборунд нашел широкое применение в производстве конструкционных материалов. Он обладает стойкостью к физическим нагрузкам и активно используется при изготовлении пуленепробиваемых жилетов и дисковых тормозов, устанавливаемых на транспортном средстве. С 1990-х гг. из карборунда изготавливают прочные газовые турбины. Они устойчивы к высоким температурам и ударным нагрузкам.

Структура и свойства

Структура основных политипов SiC.

(β) 3C-SiC	4H-SiC	(α) 6H-SiC

Карбид кремния, изображение, полученное под стереоскопическим микроскопом.

Карбид кремния существует примерно в 250 кристаллических формах. Путем пиролиза прекерамических полимеров в инертной атмосфере образуется также карбид кремния в стеклообразной аморфной форме. Полиморфизм SiC характеризуется большим семейством подобных кристаллических структур, называемых политипами. Это разновидности одного и того же химического соединения, которые идентичны в двух измерениях и различаются в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, уложенные в определенной последовательности.

Альфа-карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся полиморфом , образуется при температурах выше 1700 ° C и имеет гексагональную кристаллическую структуру (подобную вюрциту ). Бета-модификация (β-SiC) с кристаллической структурой цинковой обманки (аналогичной алмазу ) образуется при температурах ниже 1700 ° C. До недавнего времени бета-форма имела относительно немного коммерческих применений, хотя в настоящее время растет интерес к ее использованию в качестве носителя для гетерогенных катализаторов из-за ее большей площади поверхности по сравнению с альфа-формой.

Свойства основных политипов SiC

Политип	3C (β)	4H	6H (α)
Кристальная структура	Цинковая обманка (кубическая)	Шестиугольный	Шестиугольный
Космическая группа	Т 2 д -F 4 3м	С 4 6v -P6 3 тс	С 4 6v -P6 3 тс
Символ Пирсона	cF8	hP8	HP12
Константы решетки (Å)	4,3596	3.0730; 10,053	3.0810; 15.12
Плотность (г / см 3 )	3,21	3,21	3,21
Ширина запрещенной зоны (эВ)	2.36	3,23	3,05
Объемный модуль (ГПа)	250	220	220
Теплопроводность (Вт⋅м −1 ⋅K −1 ) @ 300 K (см. Температурную зависимость)	360	370	490

Чистый SiC бесцветен. Цвет промышленного продукта от коричневого до черного возникает из-за примесей железа . Радуги , как блеск кристаллов происходят из – за помехи тонкопленочных о наличии пассивирующего слоя из диоксида кремния , который образуется на поверхности.

Высокая температура сублимации SiC (около 2700 ° C) делает его полезным для подшипников и деталей печей. Карбид кремния не плавится ни при какой известной температуре. Он также очень инертен химически. В настоящее время существует большой интерес к его использованию в качестве полупроводникового материала в электронике, где его высокая теплопроводность, высокая пробивная напряженность электрического поля и высокая максимальная плотность тока делают его более перспективным, чем кремний, для устройств большой мощности. SiC также имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (4,0 × 10 -6 / K) и не испытывает фазовых переходов, которые могли бы вызвать скачки в тепловом расширении.

Электрическая проводимость

Карбид кремния – это полупроводник , который может быть легирован азотом или фосфором n-типа и бериллием , бором , алюминием или галлием p-типа . Металлическая проводимость была достигнута за счет сильного легирования бором, алюминием или азотом.

Сверхпроводимость была обнаружена в 3C-SiC: Al, 3C-SiC: B и 6H-SiC: B при той же температуре 1,5 К. Однако наблюдается существенная разница в поведении магнитного поля между легированием алюминия и бором: SiC: Al относится к типу II , как SiC: B. Напротив, SiC: B является тип-I . В попытке объяснить эту разницу было отмечено, что узлы Si более важны, чем узлы углерода для сверхпроводимости в SiC. В то время как бор замещает углерод в SiC, Al замещает позиции Si. Следовательно, Al и B «видят» разные среды, которые могут объяснить разные свойства SiC: Al и SiC: B.

Магические и лечебные свойства

О необычайных возможностях камня сложно говорить — это ненатуральный материал. Всё, что выращено в лаборатории не обладает магическими свойствами. Такие соединения синтезируются за несколько часов. Они порождение не Земли, а человеческого ума.

Любой натуральный камень миллионы лет назад начал зарождаться в недрах планеты, когда она ещё была неспокойной. Он впитывал её силу, заряжался космической энергией. Человек, надевая украшение с таким камнем, получает часть этого заряда, чувствует на себе его влияние и как будто становится причастным к истории Земли и процессам, породившим камень.

В карборунде этого нет. Он пустой. Если же удастся раздобыть украшение с ним, стоит помнить, что любая пустота рано или поздно чем-то наполняется. Так и с камнем. Владелец передаёт ему энергетику, предопределяя действие камня.

Если долго носить кольцо с искусственным минералом и постоянно копить в себе негатив, выплёскивать его наружу, то когда-то камень перенасытится этой информацией и начнёт её передавать хозяину и всем окружающим. Это станет негативный и злой талисман, который начнёт нести горе.

Чтобы этого избежать, в присутствии камня надо думать о хорошем, загадывать добрые желания и хвалить себя. Талисман можно смело передавать по наследству — он будет защищать всю семью. Но на создание семейной реликвии уйдут десятилетия.

Карборунд — распространённый в промышленности и редкий в ювелирном деле материал. Если же удастся найти с ним украшение — оно будет служить долго и впечатлять блеском.

Основные металлические карбиды

На практике широко применяется множество карбидных соединений. Рассмотрим основные из них.

Карбид гафния

Встречается в виде только одного вещества — HfC. В нормальных условиях обладает кристаллической структурой, окрашено в серый цвет. плавится при температуре 3900 градусов — интересно, что его закипание происходит уже при температуре 4160 градусов. Поэтому к расплавлению нужно подходить аккуратно, чтобы не испарить его. При нагреве до 2000 градусов начинает взаимодействовать с металлами (молибден, вольфрам). Вещество не обладает полной химической инертностью — оно вступает в реакцию с кислотами (в азотной или серной кислоте оно способно полностью раствориться).

Карбиды хрома

Встречается в виде нескольких веществ; основные — Cr₂₃C₆, Cr₃C₂, Cr₇C₃. Отличаются высокой химической инертностью (хотя могут реагировать с цинком при сильном нагреве). Не вступают в контакт с водой, атмосферным воздухом, кислотами, щелочами, солями, другими карбидными соединениями. Температура плавления не слишком высокое — большинство соединений плавятся уже при температуре 1500-1700 градусов. У соединения Cr₇C₃ при нагреве до 800 градусов происходит ряд эндотермических реакций и превращений, что приводит к превращению вещества в Cr₂₃C₆.

Карбид титана

Встречается в виде одного стабильного соединения — TiC. При нормальных условиях обладает серым цветом с характерным металлическим блеском. Плавится при температуре 3100 градусов, кипит — при 4305 градусах. Обладает высокой устойчивостью, прочностью. Химическая инертность средняя — в нормальном состоянии может вступать в реакцию с кислотами и щелочами (хотя реакция идет слабо). При нагреве до 2500 градусов может вступать в реакцию с азотом (в том числе — атмосферным). При нагреве до 1200 градусов может окисляться и/или вступать в реакцию с углекислым газом.

Карбиды вольфрама

Встречается в виде двух устойчивых соединений — WC и W₂C. Оба карбида отличаются приблизительно одинаковыми химико-физическими свойствами. Вид — мелкий порошок серовато-черного цвета (со слабым металлическим блеском или без него). Вещества плавятся при температуре около 2720 градусов, однако при более низких температурах начинается их активных контакт с атмосферным воздухом, азотом или углекислым газом. Соединения легко растворяются в разогретых до температуре кипения серных и азотных кислотах.

Карбид кальция

Основное устойчивое соединение — CaC₂. Вид — крупные прозрачные кристаллы, которые могут обладать светло-голубым оттенком. При наличии примесей может окрашиваться в другие цвета — серый, желтый, коричневый, черный и другие (в зависимости от типа примеси и ее концентрации). Соединение плавится при температуре порядка 2500 градусов, однако при комнатной температуре оно активно вступает в реакцию с водой с активным выделением ацетилена. Поэтому вещество нуждается в особых безопасных способах хранения (ацетилен является токсичным для человека).

Карбид циркония

Основное соединение — ZrC. Стандартное состояние — небольшие кристаллы серого цвета, обладающие металлическим блеском. Температура плавления — 3530 градусов, однако при нагреве до 1200 градусов вещество начинает активно вступать в реакцию с атмосферным кислородом, что приводит к образованию оксидов. Вещество слабо реагирует с кислотами, щелочами и солями, однако может вступать в реакцию с атомизированным азотом в составе сложных веществ, что приводит к образованию нитритов. Поэтому вещество нуждается в особых способах хранения.

Свойства и описание камня карборунд

Карборунд, или муассанит – это камень, относящийся к классу полупроводникового бинарного химического соединения. Это карбид кремния, получаемый в искусственных условиях в течение 30-40 часов. Камень получают в результате плавления угля и песка. Характерен выраженный блеск, который есть у антрацита. Если камень попадает под прямые лучи солнца, он переливается всеми цветами радуги. Благодаря высокому показателю твердости (9,1 балла по шкале Мооса), карборунд может поцарапать любой минерал, кроме алмаза.

Это тугоплавкий самоцвет, характеризующийся устойчивостью к воздействию кислот и других агрессивных факторов. Не плавится при температуре свыше 1500 градусов по Цельсию. Также есть свойство преломлять свет. Выделают более 250 кристаллических форм карборунда, от которых зависит цветовая гамма. Камень не разрушается при интенсивном и продолжительном трении.

Формула и технология получения карборунда была запатентована Эдвардом Гудричем Ачесоном в 1893 году. Однако в 1842 году аналогичное соединение химических элементов было получено ученым Деспретзом.

Природный аналог встречается крайне редко. По сей день крупные залежи карборунда не удалось найти.

Обязательно посмотрите: Что такое гидротермальный изумруд и где его используют

Естественное явление

Монокристалл муассанита (размер ≈1 мм)

Встречающийся в природе муассанит содержится в очень незначительных количествах в некоторых типах метеоритов, а также в месторождениях корунда и кимберлитах . Практически весь карбид кремния, продаваемый в мире, включая муассаниты, является синтетическим . Природный муассанит был впервые обнаружен в 1893 году как небольшой компонент метеорита Каньон Диабло в Аризоне доктором Фердинандом Анри Муассаном , в честь которого этот материал был назван в 1905 году. Открытие Муассаном природного SiC первоначально оспаривалось, поскольку его образец мог быть загрязнен лезвиями из карбида кремния , которые уже были на рынке в то время.

Карбид кремния, хоть и редко встречающийся на Земле, широко распространен в космосе. Это обычная форма звездной пыли, обнаруживаемая вокруг богатых углеродом звезд , и примеры этой звездной пыли были обнаружены в первозданном состоянии в примитивных (неизмененных) метеоритах. Карбид кремния, обнаруженный в космосе и в метеоритах, почти всегда является бета-полиморфом . Анализ зерен SiC, обнаруженных в метеорите Мерчисон , углеродистом хондритовом метеорите, выявил аномальные изотопные отношения углерода и кремния, указывающие на то, что эти зерна возникли за пределами Солнечной системы.

Ранние эксперименты

Несистематические, менее признанные и часто непроверенные синтезы карбида кремния включают:

• Сезар-Мансуэт Деспре пропускает электрический ток через угольный стержень, погруженный в песок (1849 г.)
• Растворение кремнезема в расплавленном серебре в графитовом тигле Роберта Сидни Марсдена (1881 г.)
• Нагревание смеси кремния и кремнезема в графитовом тигле Пауля Шютценбергера (1881 г.)
• Нагревание кремния Альбертом Колсоном в потоке этилена (1882 г.).

Масштабное производство

Репликация экспериментов HJ Round со светодиодами

Широкомасштабное производство приписывают Эдварду Гудричу Ачесону в 1890 году. Ачесон пытался приготовить искусственные алмазы, когда он нагрел смесь глины (силикат алюминия) и порошкообразного кокса (углерода) в железной чаше. Он назвал голубые кристаллы, которые образовали карборунд , полагая, что это новое соединение углерода и алюминия, подобное корунду . Муассан также синтезировал SiC несколькими способами, включая растворение углерода в расплавленном кремнии, плавление смеси карбида кальция и кремнезема и восстановление кремнезема углеродом в электрической печи.

Ачесон запатентовал метод производства порошка карбида кремния 28 февраля 1893 года. Ачесон также разработал электрическую печь периодического действия, с помощью которой SiC производится до сих пор, и сформировал Carborundum Company для производства объемного SiC, первоначально для использования в качестве абразива. В 1900 году компания заключила соглашение с Electric Smelting and Aluminium Company, когда решением судьи ее основатели “в целом” отдавали приоритет “восстановлению руд и других веществ методом накаливания”. Говорят, что Ачесон пытался растворить углерод в расплавленном корунде ( оксид алюминия ) и обнаружил присутствие твердых сине-черных кристаллов, которые он считал соединением углерода и корунда: отсюда и карборунд. Возможно, он назвал материал «карборунд» по аналогии с корундом, который является еще одним очень твердым веществом (9 по шкале Мооса ).

SiC впервые использовался в качестве абразива. Затем последовали электронные заявки. В начале 20 века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках. В 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый светодиод, подав напряжение на кристалл SiC и наблюдая желтое, зеленое и оранжевое излучение на катоде. Позднее этот эффект был открыт О.В. Лосевым в Советском Союзе в 1923 году.

Применение карборунда

Специалисты предсказывают карборунду довольно оптимистичное будущее. Его активное применение сегодня зафиксировано в таких областях человеческой деятельности, как автомобильная и металлургическая промышленность, астрономия, пирометрия, его даже применяют на практике в такой сфере, как электроника.

Конструкционный материал

С использованием карбида кремния изготавливают такие элементы, как:

• тормоза для спортивных авто;
• элементы бронированной военной техники. Это стало возможным благодаря повышенному уровню твердости исходного материала;
• шлифовальные порошки, активно использующиеся в различных отраслях промышленности, таких как металлургическая, электротехническая;
• высококачественные сопла и форсунки, а также распылители и насадки.

В ювелирном деле

Ученые долго и с интересом всматривались в пляшущие искорки света, что излучал муассанит, и, в конце концов, вынесли единодушный вердикт: камень идеален для изготовления элитных, эксклюзивных драгоценностей на любой вкус и цвет.

Шкатулки модниц по всему миру пополнились потрясающими украшениями с муассанитом: милыми колечками, всевозможными браслетами, подвесками – представители обоих полов сразу же оценили элегантный, вполне презентабельный внешний вид ювелирных изделий.

Коллекции дорогостоящих изделий сразу же пополнились украшениями, где чередуются брутальный аристократический и авангардный стили, где классика умело сочетается с романтизмом, и где арабский шик дополняется строгой европейской сдержанностью.

При помощи элитных украшений из муассанитов можно создать свой собственный имидж – причем образ твой может быть как строгим, респектабельным, так и по-лирически романтичным.

Даже самый простой, не цепляющий никакими деталями костюм, дополненный «холодными» украшениями, выделит тебя из серой, тучной толпы, привнесет в образ каплю благородства и неподдельной роскоши. При этом украшения из муассанита не отличаются крикливой броскостью, что не может не радовать.

Пьянительная роскошь камня и завораживающие глубина его света сделали невозможное, а именно – браслет с муассанитами на руке выглядит просто умопомрачительно, колечко на пальце – мило, и в то же время статусно.

Как полупроводник

Карбид кремния карборунд – отличный полупроводник, который:

1. Обрел славу хорошего катализатора.
2. Используется для изготовления высококачественных, стабильных светодиодов высокой мощности (достигающей 9 ватт).
3. Применяется для производства лазера.
4. Используется для изготовления терморезистора, всевозможных полупроводниковых устройств и полевого транзистора.

Таким образом, мауссанит – это «пришелец» из Космоса, который был дарован человеку по велению небес.

Заключение

Главным преимуществом SiC-структур является очень малый уровень динамических потерь (табл. 2), и это преимущество особенно наглядно проявляется на высоких частотах коммутации. По сравнению с аналогичными кремниевыми выпрямителями у SiC-диодов ток обратного восстановления I_RRM меньше на 50%, заряд обратного восстановления Q_RR — в 14 раз, а энергия выключения E_off — в 16 раз. У Si-Fast диодов динамические характеристики несколько лучше, однако они также существенно уступают карбиду кремния.

Таблица 2. Сравнительные динамические характеристики диодов: CAL HD, SiC-диоды Шоттки, Si-Fast (1200 В, 10 А)

Параметр	CAL HD	SiC-диоды Шоттки	Si-Fast
VR = 300 B, IF = 10 A, Tj = +150 °C
di/dt, А/мкс	750	700	750
IRRM, A	14,9	5,0	8,2
QRR, мкКл	1,36	0,098	0,226
Eoff_D, мДж	0,264	0,016	0,024

На рис. 13a представлена зависимость выходного тока от частоты коммутации для инвертора, построенного на трехфазном модуле IGBT (Trench IGBT + CAL-диод) и аналогичном гибридном SiC-модуле SKiM 93 (Fast IGBT + SiC Schottky) компании SEMIKRON. Как и ожидалось, преимущества SiC-структур позволяют заметно повысить мощность преобразователя на частотах коммутации свыше 10 кГц; так, в приведенном примере увеличение выходного тока составляет более 70% при F_sw = 30 кГц.

Рис. 13.
а) Выходной ток трехфазного Si-модуля (1200 В, 450 А, Trench IGBT с CAL-диодом) и гибридного SiC-модуля (1200 В, 300 А, Fast IGBT с SiC-диодом Шоттки;
б) зависимость выходной мощности Pout от частоты коммутации Fsw для 20-А трехфазного модуля SiC-MOSFET и 25-А модуля IGBT 12 класса

Сравнение зависимости выходной мощности P_out от частоты коммутации для 100% ключа SiC-MOSFET и IGBT-модуля представлено на рис. 13б. При F_sw более 20 кГц мощность SiC-инвертора почти вдвое выше, чем у аналогичного IGBT. Кроме того, отметим, что максимальный ток SiC-модулей с ростом частоты спадает в гораздо меньшей степени, чем у кремниевых компонентов. Например, при увеличении F_sw от 10 до 40 кГц, величина P_out снижается только на 28%.

В таблице 3 приведено сравнение уровня статических и динамических потерь 25-А трехфазного модуля IGBT с рабочим напряжением 1200 В и аналогичного 100% SiC-модуля. Его напряжение насыщения V_CE(sat) на 17% больше, чем у кремниевых ключей, но потери включения и выключения при этом заметно меньше: E_on — примерно втрое, E_off — более, чем в шесть раз.

Таблица 3. Сравнение уровня статических и динамических потерь 25-А модуля IGBT 12 класса (Trench IGBT + CAL-диод) и 20-А 100% SiC-модуля (SiC MOSFET + SiC-диод Шоттки)

Параметр	Условия измерений	25-A IGBT MiniSKiiP 13AC12T4	20-A 100% SiC MiniSKiiP 13ACM12V15
VCE(sat), B	20 А, +150 °С	1,8	2,1
Eon, мДж	20 А, 600 В, +150 °С	2,7	0,9
Eoff, мДж	20 А, 600 В, +150 °С	1,9	0,3

В отличие от IGBT, SiC-транзисторы имеют относительно высокое внутреннее сопротивление затвора (несколько Ом). Благодаря этому приемлемое распределение токов управления параллельных чипов может обеспечиваться без дополнительных резисторов R_g. Данное свойство SiC-MOSFET упрощает их соединение, снижает небаланс токов затвора и опасность возникновения теплового пробоя или паразитных резонансных колебаний.

Широкому применению SiC-компонентов на сегодня препятствует ограниченная нагрузочная способность и высокая цена. Основным путем расширения токового диапазона является увеличение размера чипов, однако это не лучший способ в отношении SiC-структур, поскольку он ведет к росту процента дефектных кристаллов и дальнейшему повышению стоимости готовых изделий. Цена таких компонентов (как гибридных, так и 100%-ных) по-прежнему остается очень высокой в сравнении с кремниевыми аналогами.

Экономические расчеты показывают, что для достижения конкурентоспособных показателей стоимость SiC-модулей должна быть снижена в среднем в два–три раза. Поэтому пока что их использование оправдано, прежде всего, в высокочастотных компактных преобразователях.

Совершенствование технологии 4H SiC-подложек и эпитаксии позволяет создавать силовые модули, предназначенные для применения в перспективных энергоэффективных приложениях. Текущий уровень плотности дефектов пластин обеспечивает приемлемые условия для серийного производства силовых ключей в диапазоне напряжений и токов 600–2000 В/5–50 А соответственно.

Однако отметим, что, благодаря меньшему значению потерь проводимости, модули IGBT еще долго будут иметь лучшие нагрузочные характеристики на частотах ниже 5–7 кГц, чаще всего используемых в приводах. Сказанное подтверждается кривыми, показанными на рис. 13a и 13б

Важно понимать, что если для работы изделия не требуется высокая частота коммутации, то применение SiC-ключей не дает никаких технических и тем более экономических преимуществ