2026年中考化学专题复习教学素材：第三代半导体材料碳化硅

【教学素材】 第三代半导体材料碳化硅 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】碳化硅（SiC）是一种硬度极高、耐高温的半导体材料，既可以做磨料切割金属，也能用在新能源汽车、5G 通信和AI数据中心里提升能效，是目前第三代半导体的核心材料之一。凭借耐高压、耐高温、高频低损耗的特性，已成为新能源汽车、光伏储能、5G 通信等领域的关键支撑。 1891年，美国爱德华•古德里奇•艾奇逊在实验中首次合成；1904年，亨利•莫瓦桑在陨石中发现天然碳化硅，并命名为“莫桑石”；1907年，世界首只碳化硅晶体发光二极管诞生，后续逐步向电子材料方向发展。 一、碳化硅的基本特性 碳化硅的核心特点是“硬、耐热、耐高压”，既是超硬的磨料，也是第三代半导体的核心材料，能耐受极端环境工作。 （1）高硬度与强耐磨性 碳化硅的硬度极高，莫氏硬度可达9.2～9.5，仅次于金刚石和立方氮化硼等少数超硬材料。高硬度赋予了碳化硅极强的耐磨性，当以特殊工艺将碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁时，可显著提高其耐磨性，延长使用寿命1～2倍。常被用作磨料、耐磨涂层和切削工具。 （2）良好的耐热耐压性 碳化硅熔点高达2700°C以上，具有出色的热稳定性，在高温环境下，碳化硅能够保持结构稳定，不易发生变形或损坏，这使得它在高温工业领域大显身手。击穿电场强度是硅的10倍左右，耐高压能力极强，适合高电压场景 （3）高频低损耗 禁带宽度约2.9～3.3eV，是硅的3倍左右，电子迁移速度更快，开关损耗更低，能让电动汽车续航提升5%～10%。 二、碳化硅在半导体和电子领域的应用 （1）新能源汽车：用于电驱逆变器、车载充电机，支持 800V 高压平台，可提升能效与续航能力，2018 年首次应用于特斯拉Model3。 （2）通信与光伏：5G/6G 高频高功率射频器件、光伏与风电逆变器、快速充电桩 。 （3）AI数据中心：作为高压直流架构关键元件，有望成为AI芯片散热的战略性材料。 【同步训练设计】 1．第三代半导体材料碳化硅（SiC）的结构类似于金刚石的结构，则构成碳化硅的粒子是（ ） A．分子 B．原子 C．离子 D．中子 2．（2026•吉林）我国研制的世界上最大口径碳化硅单体反射镜，被应用于深空探测、气象观测等领域。碳化硅的制备原理：Si＋X ( 高温 )SiC。下列说法正确的是（ ） A．X的化学式为C B．该反应前后元素种类改变 C．该反应前后硅原子数目改变 D．参加反应的Si和SiC的质量比为1:1 3．工业上制取SiC的反应为SiO2＋3C ( 高温 )SiC＋2CO↑。关于该反应说法正确的是（ ） A．SiO2是由Si原子和O2分子构成 B．反应前后元素的化合价均未发生变化 C．碳具有氧化性 D．反应后固体减少的质量等于生成的CO质量 4．（2025•泸州）今年我国科学家研制出全球首款基于碳化硅（SiC）半导体材料的碳－14核电池，理论上可放电上千年。碳－14是含有6个质子和8个中子的原子。下列有关说法正确的是（ ） A．碳－14与碳－12核外电子数相等 B．碳－14与碳－12的中子数相等三合土中的熟石灰占比通常不超过10% C．碳－14与碳－12不属于同种元素 D．碳化硅不属于化合物 5．碳化硅是既是超硬的磨料，也是目前第三代半导体的核心材料之一。 （1）碳化硅（SiC）陶瓷基复合材料是一种新型热结构材料，在空气中碳化硅能与熔融的氢氧化钠发生反应：SiC＋2NaOH＋2O2 ( 高温 )Na2SiO3＋X＋H2O，则X的化学式为 。 （2）碳化硅（SiC）广泛应用于功能陶瓷。在高温下，可以用二氧化硅（SiO2）和石墨粉反应制取碳化硅，同时生成一种可燃性气体，该反应的化学方程式为 ，该反应的基本类型为 反应。 （3）碳和硅属于元素周期表中同一 （填“周期”或“族”）元素，可以形成碳化硅（化学式为SiC），碳化硅作为第三代半导体材料，在高温、高压、高频场景中具有显著优势。如图所示的是碳和硅在元素周期表中的信息，下列说法错误的是 （填字母序号） A．碳和硅都属于非金属元素 B．碳化硅中碳元素显－4价 C．＂Si＂只能表示硅元素、硅原子 D．常温下，碳单质和硅单质的化学性质均比较稳定 6．阅读下列科普短文，回答问题： 如图为某种儿童使用的保温杯，杯中的陶瓷使用的是新型的碳化硅陶瓷。传统的陶瓷是将黏土和水的混合物通过高温烧结而成，而新型的碳化硅陶瓷是将二氧化硅与碳在电炉中加热至1900℃以上反应生成碳化硅（SiC）和二氧化碳。碳化硅陶瓷的导电性、耐酸碱性等性能优异，此外还具有硬度大、熔点高等优点，可用于制造耐腐蚀部件、防弹板等。 （1）图中属于有机合成材料的是 （写一种即可）。 （2）耐酸碱性属于陶瓷的 （填“物理”或“化学”）性质。 （3）写出生产碳化硅陶瓷过程中反应的化学方程式 。 （4）生产碳化硅陶瓷过程中有 （写元素名称）化合价发生变化，由题可知碳化硅陶瓷的熔点很 （填“高”或“低”）。 7．阅读下列科普短文，回答问题。 神奇的材料——碳化硅 碳化硅（SiC）是一种无机非金属材料，其晶体结构与金刚石相似，硬度仅次于金刚石，具有优异的耐高温性、高耐磨性和良好的导热性，是第三代半导体材料。 由于天然含量甚少，碳化硅多为人工制造。工业上通常在高温条件下，将二氧化硅与石墨粉置于专用热工设备中反应生成碳化硅，同时生成一种可燃性气体。 利用碳化硅外延法可以制得高质量的石墨烯。碳化硅外延法是在超高真空（真空的最高等级）的高温环境中，硅原子升华脱离材料，剩下的碳原子通过自组形式重构，得到基于SiC衬底的石墨烯。 碳化硅用途广泛，如制作砂轮、砂纸、耐高温陶瓷，还可以制作火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道、太阳能热水器等的理想材料之一，也能助力新能源汽车和5G通信技术的发展。 （1）碳化硅中硅元素的化合价为＋4价，则碳元素的化合价为 。硅元素和碳元素的质量比为 （填最简整数比）。 （2）写出工业制备碳化硅反应的化学方程式 。 （3）碳化硅与金刚石物理性质相似的原因是 ，构成碳化硅的微观粒子是 （填“分子”“原子”或“离子”）。 （4）碳化硅外延法制石墨烯，要在超高真空的高温环境中进行，该过程属于 （填“物理”或“化学”）变化。需要“超真空”“环境的原因是 。 （5）可选用碳化硅作砂纸的磨料，利用了碳化硅 （答一点即可）的性质。 参考答案 1～4．B、A、D、A； 5．（1）CO2；（2）SiO2＋3C ( 高温 )SiC＋2CO↑；置换；（3）族；C。 6．（1）涤纶（或塑料）；（2）化学；（3）SiO2＋2C ( 高温 )SiC＋CO2↑；（4）C；高。 7．（1）－4；7∶3；（2）SiO2＋3C ( 高温 )SiC＋2CO↑；（3）晶体结构与金刚石相似；原子；（4）化学；防止空气中的物质干扰反应；（5）硬度大或高耐磨性。 学科网（北京）股份有限公司 $