Wichtige Unterschiede zwischen 4H-SiC und 6H-SiC und wie Sie das richtige auswählen

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Siliziumkarbid (SiC) entwickelt die Halbleiter- und Leistungselektronikindustrie sowie Hochtemperatursystemanwendungen weiter. Metallisches Siliziumkarbid wird für den Antrieb von Elektrofahrzeugen, Luft- und Raumfahrtsystemen sowie für die Infrastruktur für erneuerbare Energien benötigt, da es zu den besten Wärmeleitern sowie zu den langlebigsten und betriebseffizientesten Materialien zählt.

Leider sind nicht alle SiC-Werkstoffe von gleicher Qualität. Dieser Leitfaden erläutert die Hauptunterschiede zwischen 4H-SiC- und 6H-SiC-Werkstoffen anhand von Anwendungen und Anwendungsfällen. Wir zeigen außerdem, was Sie vermeiden sollten, um die Haltbarkeit und Ästhetik der einzelnen Materialien zu verbessern. Tauchen Sie ein!

Was sind 4H-SiC und 6H-SiC?

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Die atomare Anordnung von Siliziumkarbid Die Polytypen 4H-SiC und 6H-SiC unterscheiden sich, obwohl diese Materialien eine gemeinsame chemische Zusammensetzung aufweisen. Der geringfügige Unterschied in der atomaren Anordnung dieser beiden Polytypen führt zu erheblichen Änderungen der elektrischen Eigenschaften, der Elektronenbewegung und der thermischen Eigenschaften. Die Materialauswahl von Siliziumkarbid bestimmt die Funktion von Wechselrichtern in Elektroautos, industriellen Motorsteuerungen und Hochfrequenz-Stromversorgungssystemen.

Wichtige Unterschiede zwischen 4H-SiC und 6H-SiC

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Die Auswahl des richtigen SiC-Materials hängt vom Verständnis der unterschiedlichen Eigenschaften von 4H-SiC und 6H-SiC ab. Der folgende Abschnitt bietet eine detaillierte Untersuchung der strukturellen elektrischen und thermischen Parameter von 4H-SiC und 6H-SiC, damit Sie den perfekten Polytyp für Ihre industriellen Anforderungen auswählen können.

Kristallstruktur

Die Leistungsfähigkeit eines Halbleiters hängt von der Atomanordnung ab, die unterschiedliche Elektronenbewegungsgeschwindigkeiten erzeugt. 4H-SiC verwendet eine vierschichtige Sechseck-Schichtung, während 6H-SiC sechs Schichten aufweist. Die unterschiedlichen Atomanordnungen zwischen 4H-SiC und 6H-SiC führen zu Schwankungen der Elektronenbeweglichkeit sowie zu Effizienz und Reaktionszeit in Halbleitersystemen.

• 4H-SiC ermöglicht Elektronenmobilitätsniveaus von ungefähr 950 cm²/V·s, was es zur optimalen Wahl für HF-Verstärker und Leistungs-MOSFET-Anwendungen macht.

• 6H-SiC weist eine Elektronenmobilität von ~400 cm²/V·s auf, was es stabil und dennoch für industrielle Leistungssteuerungssysteme und LED-Substrateanwendungen geeignet macht, die keine schnellen Schaltfunktionen benötigen.

Durchbruchspannung und Bandenergielücke

Die große Bandlücke von 3,26 eV in 4H-SiC ermöglicht es dem Material, hohen Spannungen und extremen Temperaturen effektiv standzuhalten. 4H-SiC eignet sich am besten für Wechselrichter in Elektrofahrzeugen und Leistungselektronik in der Luft- und Raumfahrt. Die Bandlücke von 3,02 eV in 6H-SiC macht es für moderate Leistungssysteme geeignet, die Hitzebeständigkeit ohne hohe Spannungstoleranz erfordern.

Wärmeleitfähigkeit

Die von Hochleistungselektronik erzeugte Wärme erfordert effiziente Wärmeableitungsmethoden, um Ausfälle zu vermeiden. 4H-SiC weist eine bessere Wärmeleitfähigkeit als 6H-SiC auf, wenn eine maximale Wärmeableitung erforderlich ist. Ingenieure in der Luft- und Raumfahrt entwickeln Hochtemperatur-Leistungselektronik auf Basis von 4H-SiC, da es auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktioniert. Strahltriebwerke und Satelliten sind auf 4H-SiC-Leistungssteuergeräte angewiesen, um auch unter wechselnden thermischen Bedingungen zuverlässig zu funktionieren.

Wo sollte jeder angewendet werden?

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Unternehmen müssen den richtigen SiC-Polytyp wählen, um Spitzenleistung und ineffizienten Betrieb in anspruchsvollen Hochleistungsanwendungen zu gewährleisten. Die folgende Analyse bietet detaillierte Informationen zu 4H-SiC- und 6H-SiC-Anwendungen, um Ihre Branchenauswahl zu unterstützen.

Wann ist 4H-SiC zu wählen?

4H-Siliziumkarbid (4H-SiC) ist die bevorzugte Wahl für Situationen, in denen exzellente Schalteigenschaften, hohe Energieeffizienz und hohe Leistung unter schwierigen Bedingungen erforderlich sind. Dank seiner großen Bandlücke und hervorragenden thermischen Leistung kann es erfolgreich in der fortschrittlichen Leistungselektronik führender Branchen eingesetzt werden.

• Wechselrichter für Elektrofahrzeuge von Tesla: Das Unternehmen setzt in seinen Elektrofahrzeugen auf 4H-SiC-MOSFETs, um Wechselrichtern eine effizientere Nutzung der Batterieleistung zu ermöglichen. Dank der schnellen Schaltvorgänge und der geringeren Verluste von 4H-SiC erzielen Sie eine höhere Reichweite Ihrer Batterie, eine schnellere Beschleunigung und ein reaktionsschnelleres Fahrverhalten. Mit der neuen Technologie kann Tesla sowohl die Leistung als auch die Zufriedenheit seiner Elektrofahrzeugkunden steigern.

• Bessere Umwandlung von erneuerbarer Energie: 4H-SiC ermöglicht eine hohe Effizienz bei der Stromumwandlung bei hohen Spannungen in Solarwechselrichtern und Windkraftanlagen. Energieeffizienz trägt dazu bei, die Produktion erneuerbarer Energien zu steigern und Kosten zu senken, sodass Erzeuger und Verbraucher von nachhaltigerer Energie profitieren.

• Branchen, die Automatisierung zur Energieeinsparung nutzen: Viele führende Unternehmen wie Siemens setzen auf 4H-SiC in Motorantrieben und Hochspannungswandlern, um Energieverluste in der industriellen Automatisierung zu reduzieren. Dadurch sinkt der Stromverbrauch, die Anlagen laufen reibungsloser und die Wartungskosten werden reduziert, was sowohl der Umwelt als auch dem Unternehmen zugutekommt.

• Einsatz von Hochspannung und extremen Temperaturen in der Automobil- und Luft- und Raumfahrt: Die Fähigkeit von 4H-SiC, bei hohen Spannungen sowie extrem niedrigen und hohen Temperaturen gut zu funktionieren, ist für die Leistungselektronik in der Automobilindustrie und für Antriebssysteme in der Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung. Es verbessert die Festigkeit und Sicherheit der Teile, wodurch Elektrofahrzeuge weniger Kraftstoff verbrauchen und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt leichter werden.

• Elektroflugzeuge der nächsten Generation: Hersteller von Elektroflugzeugen nutzen 4H-SiC, um leichte, effiziente Antriebssysteme zu entwickeln, die den Batterieverbrauch senken und die Flugzeit verlängern. Neue Technologien in der Luftfahrt tragen zur Nachhaltigkeit bei, indem sie leisere, längere und sauberere Flüge ermöglichen – sowohl für die Wirtschaft als auch für die Umwelt.

• NASA-Weltraumelektronik: Da 4H-SiC eine hohe Strahlungsbeständigkeit aufweist und bei hohen Temperaturen stabil bleibt, wird es von der NASA in der Elektronik von Instrumenten für den Weltraum eingesetzt. Dank dieses Materials sind wichtige Systeme sicherer, was Weltraumforschungsprojekte über längere Zeiträume ermöglicht.

Wann sollten Sie 6H-SiC verwenden?

Aufgrund seiner starken, flexiblen und hitzebeständigen Eigenschaften wird 6H-Siliziumkarbid (6H-SiC) häufig in Bereichen eingesetzt, in denen stabile Strukturen erforderlich sind, während ultraschnelles Schalten weniger wichtig ist. Es bietet eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung für Geräte, die auch in schwierigen Umgebungen über lange Zeiträume hinweg im Dauereinsatz sind.

• Auf 6H-SiC-Substraten hergestellte LEDs: Auf 6H-SiC-Substraten hergestellte LEDs weisen eine verbesserte Kristallqualität auf, was zu helleren und energiesparenderen Leuchten und Bildschirmen führt. Donaldson-LEDs sind langlebig und leuchten hell. Dies kommt Nutzern von Architektur- und Unterhaltungselektronik zugute, da sie sowohl den Energieverbrauch als auch den Pflegeaufwand senken.

• Hochauflösende Sensoren für den optischen Einsatz: Dank 6H-SiC können wir präzise optische Sensoren entwickeln, die eine präzise Wellenlängenausgabe für den Einsatz in Forschung, Industrie und Medizin liefern. Da die Leistung auch bei Hitze und Strahlung gleich bleibt, können sich Kunden darauf verlassen, dass die Sensoren bei der Diagnose und im regulären Einsatz wichtige Informationen liefern.

• Weltraumgestützte Sensoren, die Strahlung standhalten: Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Weltraumsensoren aus 6H-SiC, wie geringe Strahlung und hohe mechanische Stabilität, machen sie für den Langzeiteinsatz im Weltraum geeignet. Unter diesen schwierigen Weltraumbedingungen tragen diese Sensoren dazu bei, korrekte und zuverlässige Ergebnisse für die Erdbeobachtung, Astronomie und Planetenforschung zu gewährleisten.

• Kostengünstige und langlebige Stromversorgungssysteme: Wenn die Schaltgeschwindigkeit für industrielle Leistungssteuerungssysteme nicht entscheidend ist, ist 6H-SiC sowohl langlebig als auch kostengünstig. Da es unter extremen Bedingungen und hohen Temperaturen betrieben werden kann, profitieren Kunden, die seine Geräte nutzen, von einem zuverlässigen Energiemanagement, weniger Reparaturen und einer längeren Lebensdauer ihrer elektrischen Systeme.

Maximierung der SiC-Leistung

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Um 4H-SiC und 6H-SiC optimal nutzen zu können, ist es notwendig, ihre Stärken zu kennen und bewährte Verfahren anzuwenden. Ingenieure und Hersteller können das Wärmemanagement, das Gerätedesign und die anwendungsspezifischen Anforderungen von SiC berücksichtigen, um die SiC-Leistung zu optimieren. Einige praktische Möglichkeiten zur Steigerung der SiC-Effizienz sind:

• Effiziente Wärmeerzeugung: Enable weist eine erhebliche Wärmeerzeugung mit hoher Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen auf und ist gleichzeitig für eine erhöhte Nutzung geeignet.

• Wählen Sie den richtigen Polytyp für die Anwendung: Für elektronische Geräte mit hoher Frequenz und hoher Leistung, bei denen Effizienz und Schaltgeschwindigkeit wichtig sind, wird 4H-SiC gewählt, während 6H-SiC besser für Anwendungen geeignet ist, bei denen strukturelle Stabilität und niedrigere Kosten erwünscht sind.

• Steigern Sie die Effizienz der Energieumwandlung: Setzen Sie hochwertige SiC-Gate-Treiber und Stromkreisdesigns ein, die die Energieverluste minimieren und die hervorragenden elektrischen Eigenschaften von SiC voll ausnutzen.

• Denken Sie an die Umgebung: Die in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in industriellen Umgebungen verwendeten SiC-Komponenten sollten auf ihre Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturschwankungen und mechanischer Belastung getestet werden, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

• Verwenden Sie fortschrittliche Verpackungstechniken: Der Literatur zufolge können parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten durch die Verwendung einer richtig konzipierten Verpackung reduziert werden, was die Gesamtleistung und Lebensdauer des Systems verbessert.

Durch die Befolgung dieser bewährten Verfahren für 4H-SiC und 6H-SiC können Industrien die Vorteile von 4H-SiC und 6H-SiC in Leistungselektronik- und Halbleiteranwendungen voll ausschöpfen und so herausragende Effizienz, Haltbarkeit und Kosteneffizienz erzielen.

Abschluss

Unternehmen sollten SiC-Materialien entsprechend ihren Anwendungsanforderungen auswählen, da diese Entscheidung sowohl die Leistungseffizienz und Systemzuverlässigkeit als auch die Gesamtbetriebskosten bestimmt. 4H-SiC ist die beste SiC-Materialoption für anspruchsvolle Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen und versorgt Elektrofahrzeuge sowie industrielle Stromversorgungssysteme und elektronische Geräte in der Luft- und Raumfahrt mit Energie.

Hersteller müssen optimale SiC-Polytypen wählen, um ihre Wettbewerbsvorteile zu sichern, wenn Branchen nach verbesserter Effizienz und Haltbarkeit streben. Die Auswahl des geeigneten SiC-Materials fördert Innovation und Markterfolg durch Leistungsoptimierung, thermische Weiterentwicklung und verbesserte Komponentenhaltbarkeit in der Technologieentwicklung der nächsten Generation.