碳化硅是以共價鍵為主的化合物。碳化硅結晶存在呈四面體空間排列的sp3混雜鍵,即碳硅元素形成結晶體時,sp排列趨于穩定化,晶格改變為能量更大的穩定性sp3雜化軌道。鍵的共價特性和高強度,決定了碳化硅具有一定的能量和機械強度。得用X-射線衍射對碳化硅結構的分析說明了它的兩種主要形態:晶體排列致密的六成系α-SiC和類似于閃鋅礦結構的等軸β-SiC。除了兩種主要多晶體外,碳化硅還會生成大量不同晶系的變體。為了表述各晶系變體,分類命名,人們提出了這樣幾種方法:①各種六方晶系的碳化硅多型體按發現的先后順序用相應的羅馬數字表示之。如:SiCⅠ,SiCⅡ,SiCⅢ…。②拉姆斯德樂命名法:用字母H,R和C表示晶格類型分別為六方晶系結構,菱面體結構和立六晶系結構,并在字母前用數字表示單位晶胞中的碳硅重復層數。如:3C,6H和15R等。③將類似于閃鋅礦結構的等軸系碳化硅稱為β-SiC而將排列致密的六方系和菱面體碳化硅稱為α-SiC,詳見表2-1-9。
表2-1-9 常見的幾種碳化硅晶型結構
按發現順序 拉姆斯德樂命名法 晶系 碳硅層堆積順序 晶格常數(A)
SiCⅠ 15R 菱形 ABCBACABACBCABC… A0=3.073C0=37.70
SiCⅡ 6H 六方 ABCACB… A0=3.073C0=15.70
SiCⅢ 4H 六方 ABAC… A0=3.073C0=10.053
β-SiC 3C 立方 ABCABC… A0=4.349
各類型變體的形成與碳化硅的生成溫度有關。對碳化硅電阻爐內不同區域的晶體結構進行研究證明,由高溫爐芯向外延伸,碳化硅晶型的變化規律為:
6H→15R→4H→3C
現已發現,氮對β-SiC有明顯的穩定化作用。如:在電阻爐內以升華法培育碳化硅晶體時,隨著氮的壓力的增加,β-SiC增大。當氮的壓力為0.1~0.2Mpa時,生成的α-SiC具有β型贅生物。而當氮的壓力大于0.2Mpa時,在當成α-SiC晶體的同時,還生成完全為立方晶系結構的碳化硅晶體,壓力再升高(達24.5MPa),溫度為2000~2700℃時,只出現β-SiC。