El carburo de silicio (SiC) está revolucionando las industrias de semiconductores y electrónica de potencia, así como las aplicaciones en sistemas de alta temperatura. El carburo de silicio metálico es necesario para impulsar vehículos eléctricos, sistemas aeroespaciales e infraestructuras de energía renovable, ya que es uno de los mejores conductores térmicos, además de uno de los materiales más duraderos y eficientes operativamente.
Lamentablemente, no todos los materiales de SiC tienen la misma calidad. Esta guía explicará la principal diferencia entre los materiales de SiC 4H y 6H según sus aplicaciones y usos. También indicaremos qué evitar para aumentar la durabilidad y la estética de cada material. ¡Comencemos!
¿Qué son 4H-SiC y 6H-SiC?
La disposición atómica de carburo de silicio La composición química de los politipos 4H-SiC y 6H-SiC difiere, aunque estos materiales comparten una composición química común. La pequeña diferencia en la disposición atómica entre estos dos politipos genera cambios sustanciales en las características eléctricas, el movimiento de electrones y las características térmicas. La selección del carburo de silicio determina el buen funcionamiento de los inversores de potencia en vehículos eléctricos, controles de motores industriales y sistemas de energía de alta frecuencia.
Diferencias clave entre 4H-SiC y 6H-SiC
La selección del material de SiC adecuado depende de la comprensión de las propiedades distintivas del 4H-SiC y el 6H-SiC. La siguiente sección presenta un análisis detallado de los parámetros estructurales eléctricos y térmicos entre el 4H-SiC y el 6H-SiC para que pueda elegir el politipo ideal para sus necesidades industriales.
Estructura cristalina
El rendimiento de los semiconductores depende de la disposición atómica, que produce diferentes velocidades de movimiento de los electrones. El 4H-SiC utiliza un apilamiento hexagonal de cuatro capas, mientras que el 6H-SiC utiliza seis. Las diferentes disposiciones atómicas entre el 4H-SiC y el 6H-SiC resultan en variaciones en la movilidad de los electrones, así como en la eficiencia y el tiempo de respuesta en los sistemas semiconductores.
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El 4H-SiC permite niveles de movilidad de electrones de aproximadamente 950 cm²/V·s, lo que lo convierte en una opción óptima para aplicaciones de amplificadores de RF y MOSFET de potencia.
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El 6H-SiC exhibe una movilidad de electrones a ~400 cm²/V·s, lo que lo hace estable pero apropiado para sistemas de control de potencia industrial y aplicaciones de sustratos LED que no necesitan capacidades de conmutación rápida.
Tensión de ruptura y brecha de energía de banda
La amplia banda prohibida de 3,26 eV del 4H-SiC permite que el material resista eficazmente altos voltajes y temperaturas extremas. El 4H-SiC se utiliza especialmente en inversores de vehículos eléctricos y aplicaciones de electrónica de potencia aeroespacial. La banda prohibida de 3,02 eV del 6H-SiC lo hace adecuado para sistemas de potencia moderados que requieren resistencia térmica sin requerir tolerancia a altos voltajes.
Conductividad térmica
El calor generado por la electrónica de potencia de alto rendimiento requiere métodos eficientes de disipación térmica para prevenir fallos. El 4H-SiC presenta una mejor conductividad térmica que el 6H-SiC cuando se necesita disipar el calor al máximo. Los ingenieros del sector aeroespacial desarrollan electrónica de potencia de alta temperatura eligiendo el 4H-SiC por su eficacia en entornos operativos hostiles. Los sistemas de propulsión a reacción, así como los satélites, dependen de las unidades de control de potencia de 4H-SiC para su funcionamiento fiable en condiciones térmicas variables.
¿Dónde debe aplicarse cada uno?
Las organizaciones necesitan elegir el politipo de SiC adecuado, ya que ofrece un rendimiento óptimo y un funcionamiento ineficiente en aplicaciones exigentes de alta potencia. El siguiente análisis proporciona información detallada sobre las aplicaciones de 4H-SiC y 6H-SiC para ayudarle en su selección en el sector.
Cuándo elegir 4H-SiC
El carburo de silicio 4H (4H-SiC) es la opción preferida para situaciones que requieren excelente conmutación, alta eficiencia energética y alto rendimiento en condiciones difíciles. Gracias a su amplio ancho de banda y su excepcional rendimiento térmico, se puede utilizar con éxito en electrónica de potencia avanzada en industrias líderes.
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Inversores para vehículos eléctricos de Tesla: La compañía utiliza MOSFET 4H-SiC en sus vehículos eléctricos para que los inversores utilicen la energía de la batería de forma más eficiente. Gracias a la rápida conmutación y la menor pérdida de carga del 4H-SiC, se obtiene un mayor rendimiento de la batería, una aceleración más rápida y una conducción más ágil. Esta nueva tecnología permite a Tesla mejorar tanto el rendimiento como la satisfacción de sus clientes de vehículos eléctricos.
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Mejor conversión de energía renovable: El 4H-SiC permite una alta eficiencia en la conversión de energía a alta tensión en inversores solares y convertidores de potencia de turbinas eólicas. La eficiencia energética contribuye a aumentar la producción de energías renovables y a reducir costes, de modo que productores y consumidores disfrutan de una energía más sostenible.
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Industrias que utilizan la automatización para ahorrar energía: Muchas organizaciones líderes, como Siemens, confían en el 4H-SiC en variadores de frecuencia y convertidores de alta tensión para reducir las pérdidas de energía en la automatización industrial. Gracias a ello, se reduce el consumo de electricidad, los equipos funcionan con mayor fluidez y se reducen los costes de mantenimiento, lo que beneficia tanto al medio ambiente como a la fábrica.
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Uso de alto voltaje y temperaturas extremas en la industria automotriz y aeroespacial: La capacidad del 4H-SiC para funcionar correctamente a altos voltajes y temperaturas extremadamente bajas y altas es esencial para la electrónica de potencia automotriz y los sistemas de propulsión aeroespacial. Mejora la resistencia y la seguridad de las piezas, lo que contribuye a que los vehículos eléctricos consuman menos combustible y permite que las aplicaciones aeroespaciales sean más ligeras.
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Aviones eléctricos de próxima generación: Los fabricantes de aviones eléctricos utilizan 4H-SiC para diseñar sistemas de energía ligeros y eficaces que reducen el consumo de baterías y prolongan su tiempo de vuelo. Las nuevas tecnologías en aviación contribuyen a la sostenibilidad al promover vuelos más silenciosos, más largos y más limpios, tanto para la economía como para el medio ambiente.
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Electrónica espacial de la NASA: Dado que el 4H-SiC es altamente resistente a la radiación y se mantiene estable a altas temperaturas, la NASA lo utiliza en la electrónica de instrumentos destinados al espacio exterior. Gracias a este material, los sistemas clave son más seguros, lo que posibilita proyectos de exploración espacial a largo plazo.
¿Cuándo se debe utilizar 6H-SiC?
Gracias a sus propiedades de resistencia, flexibilidad y resistencia al calor, el carburo de silicio 6H (6H-SiC) es común en entornos donde se requieren estructuras estables, mientras que la conmutación ultrarrápida es menos importante. Ofrece una solución fiable y económica para dispositivos que se utilizarán de forma continua durante un largo periodo de tiempo, incluso en entornos difíciles.
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LED producidos sobre sustratos de 6H-SiC: Los LED fabricados con sustratos de 6H-SiC presentan una calidad de cristal mejorada, lo que resulta en una iluminación y pantallas más brillantes y de mayor ahorro energético. Los LED Donaldson son duraderos y brillan intensamente, lo que beneficia a los usuarios de electrónica arquitectónica y de consumo al reducir el consumo energético y los requisitos de mantenimiento.
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Sensores de alta resolución diseñados para uso óptico: Gracias al 6H-SiC, podemos diseñar sensores ópticos precisos que ofrecen una salida de longitud de onda precisa para su uso en investigación, industria y medicina. Gracias a su rendimiento uniforme ante el calor y la radiación, los clientes pueden confiar en los sensores para obtener información importante durante el diagnóstico y el uso diario.
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Sensores espaciales construidos para sobrevivir a la exposición a la radiación: Las excepcionales cualidades de los sensores espaciales fabricados con 6H-SiC, como su baja radiación y alta estabilidad mecánica, garantizan su idoneidad para operaciones prolongadas en el espacio. En estas difíciles condiciones espaciales, estos sensores ayudan a garantizar resultados precisos y fiables para la observación de la Tierra, la astronomía y las ciencias planetarias.
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Sistemas de energía de bajo costo y duraderos: Cuando la velocidad de conmutación no es esencial para los sistemas de control de potencia industriales, el 6H-SiC es duradero y económico. Gracias a su capacidad para operar en condiciones extremas y altas temperaturas, los clientes que utilizan sus equipos se benefician de una gestión energética fiable, menos reparaciones y una mayor vida útil de sus sistemas eléctricos.
Maximización del rendimiento del SiC
Para aprovechar al máximo el 4H-SiC y el 6H-SiC, es necesario conocer sus ventajas y aplicar las mejores prácticas. Ingenieros y fabricantes pueden considerar la gestión térmica, el diseño del dispositivo y los requisitos específicos de la aplicación del SiC para optimizar su rendimiento. Algunas maneras prácticas de aumentar la eficiencia del SiC son las siguientes:
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Generación de calor eficiente: permite una generación de calor sustancial con alta confiabilidad en entornos extremos y al mismo tiempo es adecuado para un mayor uso.
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Seleccione el politipo adecuado para la aplicación: para dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta potencia donde la eficiencia y la velocidad de conmutación son importantes, se elige 4H-SiC, mientras que 6H-SiC es mejor para aplicaciones donde se desea estabilidad estructural y menor costo.
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Aumente la eficiencia de conversión de energía: implemente controladores de compuerta de SiC de alta calidad y diseños de circuitos de potencia que minimicen las pérdidas de energía y aprovechen al máximo las excelentes características eléctricas del SiC.
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Piense en el medio ambiente: los componentes de SiC utilizados en entornos aeroespaciales, automotrices e industriales deben probarse para soportar cambios extremos de temperatura y estrés mecánico para lograr confiabilidad a largo plazo.
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Utilice técnicas de empaquetado avanzadas: según la literatura, la inductancia y la capacitancia parásitas se pueden reducir mediante el uso de un empaquetado diseñado adecuadamente, lo que mejorará el rendimiento general del sistema y la longevidad.
Al seguir estas mejores prácticas de 4H-SiC y 6H-SiC, las industrias tendrán la capacidad de explotar completamente las ventajas de 4H-SiC y 6H-SiC en aplicaciones de electrónica de potencia y semiconductores para lograr una eficiencia, durabilidad y rentabilidad excepcionales.
Conclusión
Las organizaciones deben seleccionar materiales de SiC según los requisitos de su aplicación, ya que esta decisión determina la eficiencia del rendimiento y la confiabilidad del sistema, así como los gastos operativos totales. El 4H-SiC se destaca como la mejor opción de material de SiC para aplicaciones exigentes de alta potencia y alta frecuencia, y alimenta vehículos eléctricos, sistemas de energía industriales y dispositivos electrónicos aeroespaciales.
Los fabricantes necesitan elegir politipos de SiC óptimos para mantener ventajas competitivas cuando las industrias buscan mayor eficiencia y durabilidad. La selección del material de SiC adecuado impulsará la innovación y el éxito en el mercado mediante la optimización energética, el avance térmico y la mejora de la durabilidad de los componentes en el desarrollo de tecnologías de última generación.