SiC sildelementu pretestības un temperatūras raksturojums

Abstrakts

Silīcija karbīda (SiC) sildelementi tiek plaši izmantoti augstas{0}}temperatūras rūpnieciskajās krāsnīs, laboratorijas krāsnīs, termiskās apstrādes sistēmās un pusvadītāju apstrādes iekārtās. Atšķirībā no metāliskajiem sildmateriāliem, SiC uzrāda pusvadītāju elektrisko izturēšanos, kā rezultātā rodas nelineāra pretestības un temperatūras (R – T) attiecība. Izpratne par šo raksturlielumu ir būtiska krāsns projektēšanai, barošanas avota saskaņošanai, temperatūras kontrolei un SiC sildelementu kalpošanas laika prognozēšanai.

1. SiC elektriskās vadīšanas mehānisms

Silīcija karbīds ir tipisks{0}}pusvadītāju materiāls ar platu joslu. Istabas temperatūrā brīvo nesēju koncentrācija SiC ir salīdzinoši zema, izraisot augstu elektrisko pretestību. Paaugstinoties temperatūrai, termiskā ierosme rada vairāk lādiņu nesēju, uzlabojot elektrisko vadītspēju.

Komerciālos SiC sildelementus parasti ražo:

augstas{0}}tīrības pakāpes SiC pulvera sagatavošana;

ekstrūzijas formēšana;

augstas{0}}temperatūras saķepināšana;

virsmas pārklāšana vai pārkristalizācijas apstrāde.

Elektrisko vadītspēju galvenokārt ietekmē:

elektronu un caurumu ierosme;

piemaisījumu{0}}saistītie nesēji;

graudu robežas un defektu struktūras.

Tāpēc SiC elementu pretestība ir atkarīga ne tikai no temperatūras, bet arī no mikrostruktūras un ražošanas apstākļiem.

2. SiC sildelementu R-T uzvedība

SiC sildelementiem piemīt tipisksnegatīvs temperatūras koeficients (NTC)uzvedība:

Paaugstinoties temperatūrai, pretestība samazinās.

Zemā temperatūrā SiC ir salīdzinoši augsta pretestība. Sildīšanas laikā nesēja koncentrācija strauji palielinās, izraisot ievērojamu pretestības samazināšanos. Paaugstinātā temperatūrā pretestības maiņa kļūst lēnāka un sasniedz relatīvi stabilu reģionu.

Raksturīgās īpašības:

R–T attiecības var aptuveni aprakstīt ar pusvadītāju aktivizācijas uzvedību:

RT​=R0​ekTEa​​

kur:

RT​ ir pretestība temperatūrā T;

R0 ir materiāla konstante;

Ea ir aktivizācijas enerģija;

k ir Bolcmaņa konstante;

T ir absolūtā temperatūra.

3. Darba temperatūras ietekme

Zemas temperatūras reģions

Zemās temperatūrās nesēja koncentrācija ir ierobežota un pretestība saglabājas augsta. Palaišanas laikā SiC elementiem ir nepieciešams lielāks spriegums, lai nodrošinātu pietiekamu strāvas plūsmu.

Tāpēc rūpnieciskajās SiC krāsnīs bieži izmanto:

sprieguma regulēšanas sistēmas;

mīkstā-startēšanas vadība;

strāvu ierobežojoša aizsardzība.

Augstas temperatūras reģions

Augstas temperatūras{0}}darba laikā pretestība ievērojami samazinās un strāva palielinās. Pastāvīga sprieguma darbības laikā var rasties pārmērīga jauda, ​​izraisot:

pārkaršana;

paātrināta novecošana;

vietējais termiskais stress.

Tāpēc rūpnieciskās sistēmas parasti izmanto:

transformatora vadība;

SCR jaudas regulēšana;

PID temperatūras kontrole.

4. Novecošanās ietekme uz rezistences raksturlielumiem

Ilgstoša{0}}darbība izraisa oksidāciju un mikrostrukturālas izmaiņas, kā rezultātā pakāpeniski palielinās pretestība.

Oksidācija

Skābekļa atmosfērā:

SiC+2O2​→SiO2​+CO2​

Uz virsmas veidojas aizsargājošs SiO₂ slānis, bet efektīvā vadītspēja pakāpeniski samazinās.

Mikrostrukturālā evolūcija

Augstas{0}}temperatūras novecošana var izraisīt:

graudu augšana;

graudu robežu izmaiņas;

vadošo ceļu samazināšana.

Tipiski rezultāti ir:

paaugstināta aukstuma izturība;

palielināta darbības pretestība;

samazināta maksimālā darba temperatūra.

5. SiC un metāla sildelementu salīdzinājums

6. Rūpnieciskā nozīme

Pareiza izpratne par SiC pretestības un temperatūras raksturlielumiem ļauj:

optimizēta krāsns palaišanas kontrole;

uzlabota energoefektivitāte;

samazināts elektriskās strāvas trieciens darbības laikā;

ilgāks sildelementa kalpošanas laiks;

uzlabota temperatūras precizitāte.

Mūsdienu augstas temperatūras{0}}krāsnis bieži uzrauga pretestības izmaiņas, lai novērtētu elementu novecošanos un veiktu paredzamo apkopi.

Secinājums

SiC sildelementiem ir unikāli pusvadītāju elektriskie raksturlielumi, kas parāda nelineāru pretestības un temperatūras attiecību ar pretestības samazināšanos augstākās temperatūrās. Šādai uzvedībai ir nepieciešamas atbilstošas ​​elektriskās vadības stratēģijas rūpniecisko krāšņu sistēmās. Pateicoties optimizētai materiālu konstrukcijai, ražošanas procesiem un darbības kontrolei, SiC sildelementi var sasniegt augstāku stabilitāti, ilgāku kalpošanas laiku un uzlabotu energoefektivitāti, padarot tos par vienu no svarīgākajiem sildmateriāliem mūsdienīgiem augstas temperatūras{2}}lietotājiem.