Siliciumcarbide (SiC) ontwikkelt zich in de halfgeleider- en vermogenselektronica-industrie, evenals in toepassingen met hogetemperatuursystemen. Metallisch siliciumcarbide is nodig voor de aandrijving van elektrische voertuigen, lucht- en ruimtevaartsystemen en infrastructuur voor hernieuwbare energie, omdat metallisch siliciumcarbide een van de beste thermische geleiders is en bovendien een van de meest duurzame en operationele efficiënte materialen.
Helaas zijn niet alle SiC-materialen van dezelfde kwaliteit. Deze gids legt de belangrijkste verschillen uit tussen 4H SiC- en 6H SiC-materialen, gebaseerd op toepassingen en use cases. We geven ook aan wat u beter kunt vermijden om de duurzaamheid en esthetiek van elk materiaal te verbeteren. Laten we erin duiken!
Wat zijn 4H-SiC en 6H-SiC?
De atomaire ordening van siliciumcarbide Verschillen tussen 4H-SiC- en 6H-SiC-polytypen, hoewel deze materialen een gemeenschappelijke chemische samenstelling hebben. Het kleine verschil in atomaire rangschikking tussen deze twee polytypen genereert aanzienlijke veranderingen in elektrische eigenschappen, elektronenbeweging en thermische eigenschappen. De materiaalkeuze van siliciumcarbide bepaalt hoe goed omvormers functioneren in elektrische auto's, industriële motorbesturingen en hoogfrequente energiesystemen.
Belangrijkste verschillen tussen 4H-SiC en 6H-SiC
De keuze van het juiste SiC-materiaal hangt af van de specifieke eigenschappen van 4H-SiC en 6H-SiC. In het volgende gedeelte worden de structurele elektrische en thermische parameters van 4H-SiC en 6H-SiC gedetailleerd besproken, zodat u het perfecte polytype voor uw industriële toepassingen kunt kiezen.
Kristalstructuur
De prestaties van halfgeleiders zijn afhankelijk van de atomaire rangschikking, die verschillende elektronensnelheden oplevert. 4H-SiC maakt gebruik van vierlaagse hexagonstapeling, terwijl 6H-SiC zes lagen stapelt. De verschillende atomaire rangschikkingen tussen 4H-SiC en 6H-SiC resulteren in variaties in elektronenmobiliteit, efficiëntie en responstijd in halfgeleidersystemen.
-
4H-SiC maakt elektronenmobiliteitsniveaus van circa 950 cm²/V·s mogelijk, waardoor het een optimale keuze is voor RF-versterkers en vermogens-MOSFET-toepassingen.
-
6H-SiC vertoont een elektronenmobiliteit bij ~400 cm²/V·s, waardoor het stabiel is en toch geschikt voor industriële vermogensregelsystemen en LED-substraattoepassingen waarbij geen snelle schakelmogelijkheden nodig zijn.
Doorslagspanning en bandenergieverschil
De brede bandgap van 3,26 eV van 4H-SiC maakt het materiaal bestand tegen hoge spanningen en extreme temperaturen. 4H-SiC is met name geschikt voor toepassingen in omvormers voor elektrische voertuigen en in vermogenselektronica in de lucht- en ruimtevaart. De bandgap van 3,02 eV van 6H-SiC maakt het geschikt voor middelgrote vermogenssystemen die hittebestendigheid vereisen zonder hoge spanningstolerantie.
Thermische geleidbaarheid
De warmte die wordt gegenereerd door hoogwaardige vermogenselektronica vereist efficiënte warmteafvoermethoden om storingen te voorkomen. 4H-SiC vertoont een betere thermische geleidbaarheid dan 6H-SiC wanneer de warmteafvoer maximaal moet zijn. Ingenieurs die in de lucht- en ruimtevaart werken, ontwikkelen vermogenselektronica voor hoge temperaturen door te kiezen voor 4H-SiC omdat het effectief functioneert in zware bedrijfsomstandigheden. Straalaandrijvingssystemen, evenals satellieten, zijn afhankelijk van 4H-SiC-vermogensregeleenheden voor hun vermogen om betrouwbaar te functioneren onder veranderende thermische omstandigheden.
Waar moet elk worden toegepast?
Organisaties moeten het juiste SiC-polytype kiezen tussen piekprestaties en inefficiënte werking in veeleisende toepassingen met hoog vermogen. De volgende analyse biedt gedetailleerde informatie over 4H-SiC- en 6H-SiC-toepassingen ter ondersteuning van uw industriële keuze.
Wanneer kiest u voor 4H-SiC?
4H-siliciumcarbide (4H-SiC) is de voorkeurskeuze voor situaties waar uitstekende schakelprestaties, een hoge energie-efficiëntie en hoge prestaties onder zware omstandigheden vereist zijn. Dankzij de grote bandgap en uitstekende thermische prestaties kan het succesvol worden toegepast in geavanceerde vermogenselektronica in toonaangevende industrieën.
-
Tesla's omvormers voor elektrische voertuigen: Het bedrijf gebruikt 4H-SiC MOSFET's in hun elektrische voertuigen om omvormers te helpen de accustroom efficiënter te benutten. Dankzij de snelle omschakeling en het lagere verlies van 4H-SiC haalt u meer uit uw accu, accelereert u sneller en geniet u van een soepelere rijervaring. Deze nieuwe technologie stelt Tesla in staat om zowel de prestaties als de tevredenheid van zijn elektrische autoklanten te verbeteren.
-
Betere omzetting van hernieuwbare energie: 4H-SiC maakt een hoge efficiëntie mogelijk bij het omzetten van energie bij hoge spanningen in zonne-energieomvormers en windturbineomvormers. Energie-efficiëntie draagt bij aan een hogere productie van hernieuwbare energiebronnen en verlaagt de kosten, zodat producenten en consumenten kunnen profiteren van meer duurzame energie.
-
Industrieën die automatisering gebruiken om energie te besparen: Veel toonaangevende organisaties, zoals Siemens, vertrouwen op 4H-SiC in motoraandrijvingen en hoogspanningsomvormers om energieverlies in de industriële automatisering te verminderen. Hierdoor daalt het elektriciteitsverbruik, werkt apparatuur soepeler en dalen de onderhoudskosten, wat zowel het milieu als de fabriek ten goede komt.
-
Gebruik van hoge spanning en extreme temperaturen in de automobiel- en lucht- en ruimtevaart: Het vermogen van 4H-SiC om goed te functioneren bij hoge spanningen en extreem lage en hoge temperaturen is essentieel voor vermogenselektronica in de auto-industrie en aandrijfsystemen in de lucht- en ruimtevaart. Het verbetert de sterkte en veiligheid van onderdelen, waardoor elektrische voertuigen minder brandstof verbruiken en toepassingen in de lucht- en ruimtevaart lichter worden.
-
Elektrische vliegtuigen van de volgende generatie: Fabrikanten van elektrische vliegtuigen gebruiken 4H-SiC om lichte, effectieve aandrijfsystemen te ontwerpen die het batterijverbruik verminderen en de vliegtijd verlengen. Nieuwe technologie in de luchtvaart draagt bij aan duurzaamheid door stillere, langere en schonere vluchten mogelijk te maken, zowel voor de economie als voor het milieu.
-
NASA-ruimte-elektronica: Omdat 4H-SiC zeer goed bestand is tegen straling en stabiel blijft bij hoge temperaturen, gebruikt NASA het in de elektronica van instrumenten die bestemd zijn voor de ruimte. Dankzij dit materiaal zijn belangrijke systemen veiliger, waardoor ruimteverkenningsprojecten over langere perioden mogelijk worden.
Wanneer moet u 6H-SiC gebruiken?
Vanwege de sterke, flexibele en hittebestendige eigenschappen wordt 6H-siliciumcarbide (6H-SiC) veel gebruikt in gebieden waar stabiele structuren vereist zijn, terwijl ultrasnel schakelen minder belangrijk is. Het biedt een betrouwbare en economische oplossing voor apparaten die langdurig continu worden gebruikt, zelfs in veeleisende omgevingen.
-
LED's geproduceerd op 6H-SiC-substraten: LED's geproduceerd op 6H-SiC-substraten hebben een verbeterde kristalkwaliteit, wat resulteert in helderdere en energiezuinigere verlichting en schermen. Donaldson LED's gaan lang mee en stralen helder, wat gebruikers van architectuur- en consumentenelektronica ten goede komt door zowel het energieverbruik als de onderhoudsvereisten te verlagen.
-
Hoge-resolutiesensoren ontworpen voor optisch gebruik: Dankzij 6H-SiC kunnen we nauwkeurige optische sensoren ontwerpen die nauwkeurige golflengtes leveren voor gebruik in onderzoek, industrie en geneeskunde. Omdat de prestaties bij hitte en straling gelijk zijn, kunnen klanten erop vertrouwen dat de sensoren belangrijke informatie leveren tijdens diagnostiek en regulier gebruik.
-
Ruimtegebaseerde sensoren ontworpen om blootstelling aan straling te overleven: De uitzonderlijke eigenschappen van ruimtesensoren gemaakt met 6H-SiC, zoals lage straling en hoge mechanische stabiliteit, zorgen ervoor dat ze geschikt zijn voor langdurig gebruik in de ruimte. Onder deze moeilijke omstandigheden in de ruimte zorgen deze sensoren voor correcte en betrouwbare resultaten voor aardobservatie, astronomie en planetaire wetenschappen.
-
Goedkope energiesystemen die duurzaam zijn: Wanneer schakelsnelheid niet essentieel is voor industriële vermogensregelsystemen, is 6H-SiC zowel duurzaam als goedkoper. Omdat het onder extreme omstandigheden en hoge temperaturen kan functioneren, profiteren klanten die de apparatuur gebruiken van betrouwbaar energiebeheer, minder reparaties en een langere levensduur van hun elektrische systemen.
Het maximaliseren van SiC-prestaties
Om 4H-SiC en 6H-SiC optimaal te benutten, is het noodzakelijk om hun sterke punten te kennen en best practices toe te passen. Ingenieurs en fabrikanten kunnen rekening houden met het thermisch beheer, het apparaatontwerp en de toepassingsspecifieke vereisten van SiC om de SiC-prestaties te optimaliseren. Enkele praktische manieren om de SiC-efficiëntie te verhogen zijn:
-
Efficiënte warmteopwekking: zorgt voor een aanzienlijke warmteopwekking met een hoge betrouwbaarheid in extreme omgevingen en is tegelijkertijd geschikt voor intensief gebruik.
-
Selecteer het juiste polytype voor de toepassing: voor elektronische apparaten met een hoge frequentie en hoog vermogen waarbij efficiëntie en schakelsnelheid belangrijk zijn, wordt 4H-SiC gekozen, terwijl 6H-SiC beter is voor toepassingen waarbij structurele stabiliteit en lagere kosten gewenst zijn.
-
Verhoog de efficiëntie van de vermogensomzetting: maak gebruik van hoogwaardige SiC-gatedrivers en vermogenscircuitontwerpen die energieverliezen minimaliseren en de uitstekende elektrische eigenschappen van SiC optimaal benutten.
-
Denk aan het milieu: de SiC-componenten die in de lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie en industriële omgevingen worden gebruikt, moeten worden getest op bestendigheid tegen extreme temperatuurveranderingen en mechanische belasting voor betrouwbaarheid op de lange termijn.
-
Maak gebruik van geavanceerde verpakkingstechnieken: volgens de literatuur kunnen parasitaire inductie en capaciteit worden verminderd door het gebruik van een goed ontworpen verpakking. Dit zal de algehele prestaties en levensduur van het systeem verbeteren.
Door deze best practices voor 4H-SiC en 6H-SiC te volgen, kunnen industrieën de voordelen van 4H-SiC en 6H-SiC in vermogenselektronica en halfgeleidertoepassingen ten volle benutten voor uitstekende efficiëntie, duurzaamheid en kosteneffectiviteit.
Conclusie
Organisaties moeten SiC-materialen selecteren op basis van hun toepassingsvereisten, omdat deze beslissing bepalend is voor de prestatie-efficiëntie en de betrouwbaarheid van het systeem, maar ook voor de totale operationele kosten. 4H-SiC onderscheidt zich als de beste SiC-materiaaloptie voor veeleisende toepassingen met hoog vermogen en hoge frequenties, en wordt gebruikt voor de aandrijving van elektrische voertuigen, industriële energiesystemen en elektronische apparaten in de lucht- en ruimtevaart.
Fabrikanten moeten optimale SiC-polytypen kiezen om concurrentievoordeel te behouden wanneer industrieën streven naar verbeterde efficiëntie en duurzaamheid. De selectie van het juiste SiC-materiaal stimuleert innovatie en marktsucces door middel van vermogensoptimalisatie, thermische vooruitgang en verbeteringen in de duurzaamheid van componenten in de ontwikkeling van de volgende generatie technologie.