Основные различия между 4H-SiC и 6H-SiC и как выбрать правильный вариант

Источник

Карбид кремния (SiC) развивается в полупроводниковой и силовой электронной промышленности, а также в высокотемпературных системах. Металлический карбид кремния необходим для питания электромобилей, аэрокосмических систем и инфраструктуры возобновляемой энергии, поскольку металлический карбид кремния является одним из самых высоких теплопроводников, а также одним из самых прочных и эффективных в эксплуатации материалов.

К сожалению, не все материалы SiC имеют одинаковый уровень качества. В этом руководстве будет объяснено основное различие между материалами 4H SiC и 6H SiC на основе приложений и вариантов использования. Мы также укажем, чего следует избегать, чтобы увеличить долговечность и эстетичность каждого материала. Давайте погрузимся!

Что такое 4H-SiC и 6H-SiC?

Источник

Атомное расположение карбид кремния отличается между политипами 4H-SiC и 6H-SiC, хотя эти материалы имеют общий химический состав. Незначительное различие в расположении атомов между этими двумя политипами приводит к существенным изменениям в электрических характеристиках, движении электронов и тепловых характеристиках. Выбор материала на основе карбида кремния определяет, насколько хорошо работают силовые инверторы в электромобилях, промышленных системах управления двигателями и высокочастотных силовых системах.

Ключевые различия между 4H-SiC и 6H-SiC

Источник

Выбор подходящего материала SiC зависит от понимания различных свойств 4H-SiC и 6H-SiC. В следующем разделе представлено подробное исследование структурных электрических и тепловых параметров между 4H-SiC и 6H-SiC, чтобы вы могли выбрать идеальный политип для ваших промышленных требований.

Кристаллическая структура

Характеристики полупроводника зависят от расположения атомов, что обеспечивает различные скорости движения электронов. 4H-SiC использует четырехслойную шестиугольную укладку, тогда как 6H-SiC укладывает шесть слоев. Различное расположение атомов между 4H-SiC и 6H-SiC приводит к изменениям подвижности электронов наряду с эффективностью и временем отклика в полупроводниковых системах.

• 4H-SiC обеспечивает уровень подвижности электронов около 950 см²/В·с, что делает его оптимальным выбором для применения в радиочастотных усилителях и мощных МОП-транзисторах.

• 6H-SiC демонстрирует подвижность электронов на уровне ~400 см²/В·с, что делает его стабильным и в то же время подходящим для промышленных систем управления питанием и светодиодных подложек, где не требуются возможности быстрого переключения.

Напряжение пробоя и ширина запрещенной зоны

Широкая запрещенная зона 3,26 эВ в 4H-SiC позволяет материалу эффективно выдерживать высокие напряжения и экстремальные температуры. Материал 4H-SiC находит свое наилучшее применение в инверторах электромобилей и аэрокосмической силовой электронике. Ширина запрещенной зоны 3,02 эВ в 6H-SiC делает его пригодным для систем средней мощности, которым требуется теплостойкость без требования высокой устойчивости к напряжению.

Теплопроводность

Тепло, выделяемое высокопроизводительной силовой электроникой, требует эффективных методов рассеивания тепла для предотвращения сбоев. 4H-SiC демонстрирует лучшую теплопроводность, чем 6H-SiC, когда рассеивание тепла должно достигать максимальных уровней. Инженеры, работающие в аэрокосмической отрасли, разрабатывают высокотемпературную силовую электронику, выбирая 4H-SiC, поскольку он эффективно функционирует в суровых условиях эксплуатации. Реактивные двигательные установки и спутники зависят от блоков управления мощностью 4H-SiC для их способности надежно функционировать в изменяющихся тепловых условиях.

Где следует применять каждый из них?

Источник

Организациям необходимо выбрать правильный политип SiC между пиковой производительностью и неэффективной работой в требовательных приложениях высокой мощности. Следующий анализ предоставляет подробную информацию о приложениях 4H-SiC и 6H-SiC, чтобы помочь вам в выборе отрасли.

Когда следует выбирать 4H-SiC

4H-карбид кремния (4H-SiC) является предпочтительным выбором для ситуаций, где требуется отличное переключение, высокая энергоэффективность и высокая производительность в жестких условиях. Благодаря большой запрещенной зоне и выдающимся тепловым характеристикам его можно успешно использовать в передовой силовой электронике в ведущих отраслях промышленности.

• Инверторы для электромобилей Tesla: Компания использует 4H-SiC MOSFET в своих электромобилях, чтобы помочь инверторам более эффективно использовать заряд батареи. Благодаря быстрому переключению и меньшим потерям в 4H-SiC вы получаете лучший пробег от батареи, более быстрое ускорение и более отзывчивую езду. Новая технология позволяет Tesla повысить как производительность, так и удовлетворенность своих клиентов электромобилей.

• Более эффективное преобразование энергии из возобновляемых источников: Высокая эффективность преобразования энергии при высоких напряжениях в солнечных инверторах и преобразователях мощности ветряных турбин стала возможной благодаря 4H-SiC. Энергоэффективность помогает увеличить то, что могут производить возобновляемые источники энергии, и сокращает расходы, поэтому производители и потребители получают больше устойчивой энергии.

• Отрасли, использующие автоматизацию для экономии энергии: Многие ведущие организации, такие как Siemens, полагаются на 4H-SiC в приводах двигателей и высоковольтных преобразователях, чтобы сократить потери энергии в промышленной автоматизации. Благодаря этому снижается потребление электроэнергии, оборудование работает более плавно, а расходы на обслуживание снижаются, что поддерживает как окружающую среду, так и завод.

• Использование высокого напряжения и экстремальных температур в автомобильной и аэрокосмической промышленности: Способность 4H-SiC хорошо работать при высоких напряжениях и экстремально низких и высоких температурах имеет важное значение для автомобильной силовой электроники и аэрокосмических двигательных установок. Он повышает прочность и безопасность деталей, что помогает электромобилям потреблять меньше топлива и позволяет аэрокосмическим приложениям стать легче.

• Электрический самолет следующего поколения: Производители электрических самолетов используют 4H-SiC для разработки легких, эффективных систем питания, которые снижают использование батареи и увеличивают время, которое они проводят в воздухе. Новые технологии в авиации помогают достичь устойчивости, поддерживая более тихие, более длительные и чистые полеты как для экономики, так и для окружающей среды.

• Космическая электроника НАСА: Поскольку 4H-SiC обладает высокой устойчивостью к радиации и сохраняет стабильность при высоких температурах, NASA использует его в электронике приборов, предназначенных для космоса. Благодаря этому материалу ключевые системы более защищены, что делает возможными проекты по исследованию космоса в течение более длительных периодов времени.

Когда следует использовать 6H-SiC?

Благодаря своим прочным, гибким и термостойким свойствам 6H-карбид кремния (6H-SiC) распространен в областях, где требуются стабильные структуры, в то время как сверхбыстрое переключение менее важно. Он обеспечивает надежное и экономичное решение для устройств, которые будут использоваться непрерывно в течение длительного времени, даже в сложных условиях.

• Светодиоды, изготовленные на подложках 6H-SiC: Светодиоды, произведенные на подложках 6H-SiC, имеют улучшенное качество кристаллов, что приводит к более яркому и энергосберегающему освещению и экранам. Светодиоды Donaldson служат долго и ярко светят, принося пользу пользователям архитектурной и бытовой электроники, снижая как потребление энергии, так и требования к уходу.

• Датчики высокого разрешения, предназначенные для оптического использования: Благодаря 6H-SiC мы можем разрабатывать точные оптические датчики, которые обеспечивают точный выходной сигнал длины волны для использования в исследованиях, промышленности и медицине. Поскольку он работает одинаково под воздействием тепла и радиации, клиенты могут рассчитывать на датчики для получения важной информации во время диагностики и регулярного использования.

• Космические датчики, способные выдерживать воздействие радиации: Исключительные качества космических датчиков, изготовленных из 6H-SiC, такие как низкое излучение и высокая механическая стабильность, гарантируют, что они подходят для длительной работы в космосе. В этих сложных космических условиях эти датчики помогают обеспечить правильные и надежные результаты для наблюдения за Землей, астрономии и планетологии.

• Недорогие и долговечные системы электропитания: Когда скорость переключения не является существенной для промышленных систем управления питанием, 6H-SiC является и долговечным, и менее дорогим. Поскольку он может работать в экстремальных условиях и при высоких температурах, клиенты, которые используют его оборудование, получают выгоду от надежного управления энергией, меньшего количества ремонтов и более длительного срока службы своих электрических систем.

Максимизация производительности SiC

Источник

Чтобы использовать 4H-SiC и 6H-SiC в полной мере, необходимо знать их сильные стороны и применять передовые методы использования. Тепловое управление, проектирование устройств и особые требования к применению SiC могут быть рассмотрены инженерами и производителями для оптимизации производительности SiC. Некоторые практические способы повышения эффективности SiC следующие:

• Эффективное тепловыделение: обеспечивает значительную теплогенерацию с высокой надежностью в экстремальных условиях, а также подходит для интенсивного использования.

• Выберите правильный политип для конкретного применения: для высокочастотных мощных электронных устройств, где важны эффективность и скорость переключения, выбирается 4H-SiC, тогда как 6H-SiC лучше подходит для применений, где требуются структурная стабильность и более низкая стоимость.

• Повышение эффективности преобразования энергии: использование высококачественных драйверов затворов SiC и конструкций силовых цепей, которые минимизируют потери энергии и в полной мере используют превосходные электрические характеристики SiC.

• Подумайте об окружающей среде: компоненты SiC, используемые в аэрокосмической, автомобильной и промышленной сферах, должны проходить испытания на устойчивость к экстремальным перепадам температур и механическим нагрузкам для обеспечения долгосрочной надежности.

• Используйте передовые технологии корпусирования: Согласно литературным данным, паразитную индуктивность и емкость можно уменьшить, используя правильно спроектированный корпус, что улучшит общую производительность системы и увеличит ее срок службы.

Следуя этим передовым методам 4H-SiC и 6H-SiC, отрасли смогут в полной мере использовать преимущества 4H-SiC и 6H-SiC в силовой электронике и полупроводниковых устройствах для достижения выдающейся эффективности, долговечности и экономической эффективности.

Заключение

Организации должны выбирать материалы SiC в соответствии с требованиями к их применению, поскольку это решение определяет эффективность работы и надежность системы, а также общие эксплуатационные расходы. 4H-SiC выделяется как лучший вариант материала SiC для требовательных приложений высокой мощности и высокой частоты и обеспечивает питание электромобилей, а также промышленных энергосистем и аэрокосмических электронных устройств.

Производителям необходимо выбирать оптимальные политипы SiC для сохранения конкурентных преимуществ, когда отрасли стремятся повысить эффективность и долговечность. Выбор подходящего материала SiC будет способствовать инновациям и успеху на рынке за счет оптимизации мощности, улучшения теплового режима и повышения долговечности компонентов в разработке технологий следующего поколения.