Carboneto de silício: a estrela brilhante dos materiais semicondutores de terceira geração

1, Definição e estrutura do carboneto de silício
O carboneto de silício, em termos de composição química, é um composto feito de dois elementos, silício (SI) e carbono (C), ligado covalentemente. Sua estrutura cristalina é rica e variada, e os comuns são o sistema de cristal cúbico ( -siC) e o sistema de cristal hexagonal (-SIC). Diferentes estruturas cristalinas fornecem diferentes características de desempenho de carboneto de silício, sendo -sic mais comum em aplicações industriais devido à sua maior estabilidade térmica e química. No nível atômico, os átomos de silício e carbono são alinhados com precisão para formar uma estrutura de treliça forte e organizada, que estabelece uma base sólida para as propriedades únicas do carboneto de silício.

2, características do carboneto de silício
(1) Alta largura de banda: o carboneto de silício tem uma largura de banda de até 3,2ev, cerca de três vezes a dos materiais de silício convencionais. Esse recurso permite que os dispositivos de carboneto de silício operem estável a temperaturas mais altas, tensões mais altas e com correntes de vazamento mais baixas, o que melhora significativamente o desempenho e a confiabilidade do dispositivo. Por exemplo, em altas temperaturas, os dispositivos de silício podem sofrer um aumento dramático na concentração de portador devido à excitação térmica, o que pode levar à falha do dispositivo, enquanto os dispositivos de carboneto de silício são capazes de manter operação estável devido à sua alta largura de banda, que efetivamente protege contra tais distúrbios térmicos.
(2) Alta condutividade térmica: o carboneto de silício tem uma condutividade térmica muito alta, que é 3-5 vezes maior que a do silício. Boa condutividade térmica significa que o carboneto de silício é capaz de conduzir o calor com mais eficiência e dissipar rapidamente o calor gerado durante a operação de dispositivos eletrônicos, diminuindo efetivamente a temperatura do dispositivo e melhorando a eficiência da dissipação de calor. Tomando os dispositivos semicondutores de energia como exemplo, ao executar em alta potência, uma grande quantidade de calor fará com que o desempenho do dispositivo caia ou até danifique. Os dispositivos fabricados com materiais de carboneto de silício, no entanto, são capazes de funcionar de forma de maneira estável e consistente com maior potência devido à sua excelente capacidade de dissipação de calor, melhorando bastante o desempenho e a vida útil dos dispositivos.
(3) Alta força do campo de ruptura: a força do campo de ruptura do carboneto de silício é cerca de 10 vezes a do silício, o que permite suportar tensões mais altas. Na eletrônica de potência, a alta resistência do campo de ruptura significa que os dispositivos de energia podem ser fabricados com tensões de suporção mais alta e em tamanhos menores. Por exemplo, em sistemas de transmissão e conversão de energia de alta tensão, o uso de dispositivos de carboneto de silício pode reduzir efetivamente o número de dispositivos e o tamanho do sistema, melhorando a eficiência da conversão e a estabilidade do sistema.
(4) Alta dureza e resistência ao desgaste: o carboneto de silício é extremamente duro, a dureza Mohs de 9,5, perdendo apenas para o diamante. Essa característica de alta dureza o torna amplamente utilizado no campo de materiais resistentes ao desgaste, como fabricar abrasivos, ferramentas de corte, revestimentos resistentes ao desgaste e assim por diante. Na produção industrial, muitos equipamentos precisam ser executados no ambiente de desgaste severo, como máquinas de mineração no triturador, moinho, o uso de peças de material de carboneto de silício pode melhorar significativamente a resistência ao desgaste do equipamento, reduzir o custo de manutenção do equipamento e prolongar a vida útil do equipamento.
(5) Estabilidade química: o carboneto de silício tem boa estabilidade química, à temperatura ambiente quase não reage com reagentes químicos, mesmo em altas temperaturas, ácidos fortes e alcalses e outros ambientes extremos, suas propriedades químicas são relativamente estáveis. Essa característica faz com que o carboneto de silício na indústria química, a metalurgia e outros ambientes corrosivos tenham um importante valor de aplicação, por exemplo, pode ser usado na fabricação de oleoduto resistente à corrosão, revestimento do reator e assim por diante.

3, a aplicação do carboneto de silício
(1) Novos veículos energéticos: no campo de novos veículos energéticos, o Silicon Carbide está desempenhando um papel cada vez mais importante. Por um lado, o uso de módulos de energia de carboneto de silício nos sistemas de acionamento de motor pode melhorar significativamente a eficiência do sistema e reduzir a perda de energia, aumentando assim a faixa do veículo. Por exemplo, o Tesla Modelo 3 usa módulos de potência de carboneto de silício, que levaram a melhorias significativas na eficiência e desempenho energéticos. Por outro lado, em carregamento a bordo e conversão DC\/DC, a aplicação de dispositivos de carboneto de silício pode obter maior densidade de potência e velocidade de carregamento mais rápida, melhorando assim a experiência de carregamento dos usuários. Com o rápido desenvolvimento do novo mercado de veículos energéticos, a demanda por carboneto de silício nesse campo continuará a crescer.
(2) Comunicação 5G: Rede de comunicação 5G apresenta requisitos mais altos no desempenho dos dispositivos de RF. Devido à sua alta mobilidade eletrônica, alta resistência do campo de ruptura e outras características, os dispositivos de RF baseados em carboneto de silício são capazes de obter maior produção de energia e processamento de sinal mais eficiente para atender à demanda por dispositivos de RF de alta eficiência de alta eficiência em estações base 5G. Ao mesmo tempo, a miniaturização e as características leves dos dispositivos de carboneto de silício também ajudam a reduzir o volume e o peso do equipamento da estação base, melhorar a integração e a confiabilidade do equipamento e promover a aplicação e o desenvolvimento generalizados da tecnologia de comunicação 5G.
(3) Armazenamento fotovoltaico e de energia: Na indústria fotovoltaica, o inversor é o equipamento -chave para converter energia solar em eletricidade. A aplicação dos dispositivos de energia de carboneto de silício pode efetivamente melhorar a eficiência da conversão do inversor e reduzir sua perda de energia no processo de trabalho, melhorando assim o desempenho geral e os benefícios econômicos do sistema de geração de energia fotovoltaica. No campo do armazenamento de energia, os dispositivos de carboneto de silício podem ser usados ​​em sistemas de gerenciamento de baterias e sistemas de conversão de energia, que podem realizar carregamento e descarga rápido, melhorar a estabilidade e confiabilidade do sistema de armazenamento de energia e promover o desenvolvimento e aplicação da tecnologia de armazenamento de energia.
(4) Aeroespacial: O campo aeroespacial é extremamente exigente sobre o desempenho dos materiais, exigindo materiais com alta confiabilidade, alta resistência à temperatura, resistência à radiação e outras características. O carboneto de silício tem sido amplamente utilizado no campo aeroespacial em virtude de seu excelente desempenho abrangente. Por exemplo, materiais e dispositivos de carboneto de silício podem desempenhar um papel importante nos componentes de extremidade quente dos motores de aviação, nos sistemas de dissipação de calor de equipamentos eletrônicos em aeronaves e nos sistemas de energia dos satélites, ajudando a melhorar o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos aeroespaciais, reduzir o peso do equipamento e aumentar a eficiência da utilização de energia.
(5) Energia industrial e elétrica: No campo industrial, o carboneto de silício pode ser usado para fabricar uma variedade de peças resistentes a desgaste e alta temperatura e de corrosão, como vedações mecânicas, revestimento de forno de alta temperatura, tubulação resistente ao desgaste, etc., para melhorar a vida de serviço de equipamentos industriais e eficiência operacional. No campo da energia elétrica, os dispositivos de energia do carboneto de silício podem ser usados ​​na transmissão, transformação e distribuição da grade inteligente, para realizar conversão e transmissão eficientes de energia elétrica, melhorar a estabilidade e a confiabilidade da grade de energia e reduzir as perdas de transmissão.
4, a tendência de desenvolvimento do carboneto de silício
(1) Inovação tecnológica para promover o desempenho: com o desenvolvimento contínuo da ciência dos materiais e da tecnologia de semicondutores, o processo de preparação de carbonetos de silício e a tecnologia de fabricação de dispositivos continuarão a inovar. No futuro, através da otimização do processo de crescimento de cristais, melhorar a tecnologia epitaxial e o design de dispositivos, deverá melhorar ainda mais a qualidade e o desempenho dos materiais de carboneto de silício, reduzir a densidade de defeitos, melhorar a integração e a confiabilidade dos dispositivos, expandindo a aplicação do carboneto de silício em campos mais sofisticados.
(2) Redução de custos para promover a penetração do mercado: Atualmente, o custo relativamente alto dos materiais e dispositivos de carboneto de silício, limitando sua aplicação em larga escala. No futuro, com a expansão da escala de produção, a maturidade da tecnologia e a melhoria da cadeia industrial, o custo de produção do carboneto de silício deve reduzir gradualmente. Por um lado, a empresa através da expansão da capacidade de produção para obter economias de escala, reduz o custo de produção por unidade de produto; Por outro lado, a inovação tecnológica melhorará a eficiência da produção, reduzirá o consumo de matérias -primas e a taxa de sucata e reduzirá ainda mais os custos. Os custos reduzidos tornarão o carboneto de silício em mais áreas com viabilidade econômica, para promover sua penetração de mercado e expansão de aplicativos.
(3) As áreas de aplicação continuam a se expandir: com a melhoria do desempenho do carboneto de silício e redução de custos, suas áreas de aplicação continuarão a se expandir. Além dos novos veículos de energia existentes, comunicações 5G, armazenamento de energia fotovoltaica e outras áreas de aplicação aprofundada, o carboneto de silício também estará nas áreas emergentes, como computação quântica, aceleração de hardware de inteligência artificial, lidar de estado sólido e outros aspectos da aplicação de um enorme potencial. Ao mesmo tempo, à medida que a preocupação global com a eficiência energética e a proteção ambiental continua a crescer, o carboneto de silício, como um material altamente eficiente e que economiza energia, desempenhará um papel mais importante no setor de energia, contribuindo para a transição energética global e o desenvolvimento sustentável.
(4) Desenvolvimento acelerado da sinergia industrial: o desenvolvimento da indústria de carbonetos de silício não pode ser separado da cadeia da indústria de empresas a montante e a jusante. No futuro, as empresas em substrato, epitaxial, fabricação de dispositivos, desenvolvimento de aplicativos e outros links fortalecerão a cooperação e a comunicação para formar uma ecologia industrial mais próxima. Através de pesquisa e desenvolvimento técnico conjunto, desenvolvimento de padrões da indústria, otimização do gerenciamento da cadeia de suprimentos etc., para melhorar a competitividade geral da indústria e promover o desenvolvimento rápido e saudável da indústria de carbonetos de silício.
Em conclusão, como representante da terceira geração de materiais semicondutores, o Silicon Carbide está se tornando um hotspot de pesquisa global no campo da ciência e semicondutores de materiais e o foco do desenvolvimento industrial em virtude de seu excelente desempenho e amplas perspectivas de aplicações. Com o progresso contínuo da tecnologia e a maturação gradual da indústria, espera -se que o carboneto de silicone realize avanços em mais campos e faça contribuições importantes para a promoção do progresso científico e tecnológico moderno e desenvolvimento social.