Silicon carbide (SiC) đang phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp bán dẫn và điện tử công suất, cũng như các ứng dụng hệ thống nhiệt độ cao. Silicon carbide kim loại là vật liệu cần thiết để cung cấp năng lượng cho xe điện, hệ thống hàng không vũ trụ và cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo vì silicon carbide kim loại là một trong những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất, bền bỉ và hiệu quả vận hành cao nhất.
Thật không may, không phải tất cả vật liệu SiC đều có cùng chất lượng. Hướng dẫn này sẽ giải thích sự khác biệt chính giữa vật liệu SiC 4H và SiC 6H dựa trên ứng dụng và trường hợp sử dụng. Chúng tôi cũng sẽ chỉ ra những điều cần tránh để tăng độ bền và tính thẩm mỹ của từng loại vật liệu. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn!
4H-SiC và 6H-SiC là gì?
Sự sắp xếp nguyên tử của cacbua silic Sự khác biệt giữa polytype 4H-SiC và 6H-SiC mặc dù hai vật liệu này có chung thành phần hóa học. Sự khác biệt nhỏ về sắp xếp nguyên tử giữa hai polytype này tạo ra những thay đổi đáng kể về đặc tính điện, chuyển động của electron và đặc tính nhiệt. Việc lựa chọn vật liệu silicon carbide quyết định hiệu suất hoạt động của bộ biến tần trong ô tô điện, bộ điều khiển động cơ công nghiệp và hệ thống điện tần số cao.
Sự khác biệt chính giữa 4H-SiC và 6H-SiC
Việc lựa chọn vật liệu SiC phù hợp phụ thuộc vào việc hiểu rõ các đặc tính riêng biệt của 4H-SiC và 6H-SiC. Phần sau đây trình bày chi tiết về các thông số điện và nhiệt cấu trúc giữa 4H-SiC và 6H-SiC để bạn có thể chọn loại polytype hoàn hảo cho nhu cầu công nghiệp của mình.
Cấu trúc tinh thể
Hiệu suất bán dẫn phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử, tạo ra tốc độ di chuyển electron khác nhau. 4H-SiC sử dụng cấu trúc xếp chồng lục giác bốn lớp, trong khi 6H-SiC xếp chồng sáu lớp. Sự sắp xếp nguyên tử khác nhau giữa 4H-SiC và 6H-SiC dẫn đến sự khác biệt về độ linh động electron, hiệu suất và thời gian đáp ứng trong các hệ thống bán dẫn.
-
4H-SiC cho phép mức độ di động của electron đạt khoảng 950 cm²/V·s, khiến nó trở thành lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng bộ khuếch đại RF và MOSFET công suất.
-
6H-SiC thể hiện tính di động của electron ở mức ~400 cm²/V·s khiến nó ổn định nhưng vẫn phù hợp với các hệ thống điều khiển công suất công nghiệp và các ứng dụng nền LED không cần khả năng chuyển mạch nhanh.
Điện áp đánh thủng và khoảng cách năng lượng dải
Khoảng cách dải rộng 3,26 eV trong 4H-SiC cho phép vật liệu chịu được điện áp cao và nhiệt độ khắc nghiệt một cách hiệu quả. Vật liệu 4H-SiC được sử dụng tốt nhất trong các bộ biến tần xe điện và các ứng dụng điện tử công suất hàng không vũ trụ. Khoảng cách dải rộng 3,02 eV trong 6H-SiC giúp vật liệu này phù hợp với các hệ thống điện vừa phải cần khả năng chịu nhiệt mà không yêu cầu dung sai điện áp cao.
Độ dẫn nhiệt
Nhiệt sinh ra từ thiết bị điện tử công suất hiệu suất cao đòi hỏi các phương pháp tản nhiệt hiệu quả để ngăn ngừa hư hỏng. 4H-SiC thể hiện độ dẫn nhiệt tốt hơn 6H-SiC khi cần tản nhiệt ở mức tối đa. Các kỹ sư làm việc trong ngành hàng không vũ trụ phát triển thiết bị điện tử công suất chịu nhiệt độ cao bằng cách lựa chọn 4H-SiC vì nó hoạt động hiệu quả trong môi trường vận hành khắc nghiệt. Hệ thống động cơ phản lực cùng với vệ tinh phụ thuộc vào bộ điều khiển công suất 4H-SiC để có khả năng hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.
Nên áp dụng từng loại ở đâu?
Các tổ chức cần lựa chọn loại polytype SiC phù hợp giữa hiệu suất cao nhất và hoạt động kém hiệu quả trong các ứng dụng công suất cao đòi hỏi khắt khe. Phân tích sau đây cung cấp thông tin chi tiết về các ứng dụng 4H-SiC và 6H-SiC để hỗ trợ lựa chọn ngành của bạn.
Khi nào nên chọn 4H-SiC
Silicon Carbide 4H (4H-SiC) là lựa chọn ưu tiên cho các trường hợp yêu cầu khả năng chuyển mạch tuyệt vời, hiệu suất năng lượng cao và hiệu suất cao trong điều kiện khắc nghiệt. Nhờ khoảng cách dải rộng và hiệu suất nhiệt vượt trội, vật liệu này có thể được sử dụng thành công trong các thiết bị điện tử công suất tiên tiến trong các ngành công nghiệp hàng đầu.
-
Bộ biến tần cho xe điện của Tesla: Công ty sử dụng MOSFET 4H-SiC trong xe điện để giúp bộ biến tần sử dụng năng lượng pin hiệu quả hơn. Nhờ khả năng chuyển mạch nhanh và ít hao hụt trong 4H-SiC, pin có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn, tăng tốc nhanh hơn và phản ứng lái nhạy hơn. Công nghệ mới này cho phép Tesla nâng cao cả hiệu suất lẫn sự hài lòng của khách hàng sử dụng xe điện.
-
Chuyển đổi năng lượng tái tạo tốt hơn: 4H-SiC mang lại hiệu suất cao trong việc chuyển đổi điện năng ở điện áp cao trong các bộ biến tần năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi điện tua-bin gió. Hiệu suất năng lượng giúp tăng sản lượng điện từ năng lượng tái tạo và giảm chi phí, nhờ đó người sản xuất và người tiêu dùng được hưởng nguồn năng lượng bền vững hơn.
-
Các ngành công nghiệp sử dụng tự động hóa để tiết kiệm năng lượng: Nhiều tổ chức hàng đầu, chẳng hạn như Siemens, sử dụng 4H-SiC trong các bộ truyền động động cơ và bộ biến đổi điện áp cao để giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng trong tự động hóa công nghiệp. Nhờ đó, mức tiêu thụ điện năng giảm, thiết bị hoạt động trơn tru hơn và chi phí bảo trì giảm, góp phần bảo vệ môi trường và nhà máy.
-
Sử dụng điện áp cao và nhiệt độ cực cao trong ô tô và hàng không vũ trụ: Khả năng hoạt động tốt ở điện áp cao và nhiệt độ cực thấp và cực cao của 4H-SiC là yếu tố thiết yếu cho hệ thống điện tử công suất ô tô và hệ thống động lực hàng không vũ trụ. Nó cải thiện độ bền và độ an toàn của các chi tiết, giúp xe điện tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và cho phép các ứng dụng hàng không vũ trụ trở nên nhẹ hơn.
-
Máy bay điện thế hệ tiếp theo: Các nhà sản xuất máy bay điện sử dụng 4H-SiC để thiết kế hệ thống năng lượng nhẹ, hiệu quả, giúp giảm mức tiêu thụ pin và kéo dài thời gian bay. Công nghệ mới trong ngành hàng không giúp đạt được tính bền vững bằng cách hỗ trợ các chuyến bay yên tĩnh hơn, dài hơn và sạch hơn, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường.
-
Thiết bị điện tử vũ trụ của NASA: Vì 4H-SiC có khả năng chống bức xạ cao và ổn định ở nhiệt độ cao, NASA sử dụng nó trong thiết bị điện tử của các thiết bị dùng cho không gian vũ trụ. Nhờ vật liệu này, các hệ thống quan trọng trở nên an toàn hơn, giúp các dự án thám hiểm không gian có thể thực hiện trong thời gian dài hơn.
Khi nào bạn nên sử dụng 6H-SiC?
Nhờ đặc tính bền, dẻo và chịu nhiệt, 6H-SiC (6H-SiC) được sử dụng phổ biến ở những nơi yêu cầu kết cấu ổn định, trong khi khả năng chuyển mạch siêu nhanh lại ít quan trọng hơn. Nó mang đến giải pháp đáng tin cậy và tiết kiệm cho các thiết bị sử dụng liên tục trong thời gian dài, ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt.
-
Đèn LED được sản xuất trên nền 6H-SiC: Đèn LED được sản xuất trên nền 6H-SiC có chất lượng tinh thể được cải thiện, mang lại ánh sáng và màn hình sáng hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Đèn LED Donaldson có độ bền cao theo thời gian và tỏa sáng rực rỡ, mang lại lợi ích cho người dùng thiết bị điện tử kiến trúc và tiêu dùng bằng cách giảm cả mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu bảo trì.
-
Cảm biến độ phân giải cao được thiết kế để sử dụng quang học: Nhờ 6H-SiC, chúng tôi có thể thiết kế các cảm biến quang học chính xác, cung cấp đầu ra bước sóng chính xác để sử dụng trong nghiên cứu, công nghiệp và y tế. Nhờ hiệu suất tương tự dưới nhiệt độ và bức xạ, khách hàng có thể tin tưởng vào các cảm biến này để thu thập thông tin quan trọng trong quá trình chẩn đoán và sử dụng thường xuyên.
-
Các cảm biến trên không gian được chế tạo để chịu được tác động của bức xạ: Những đặc tính vượt trội của cảm biến không gian được chế tạo bằng 6H-SiC, chẳng hạn như bức xạ thấp và độ ổn định cơ học cao, đảm bảo chúng hoạt động tốt trong thời gian dài ngoài không gian. Trong những điều kiện không gian khắc nghiệt này, các cảm biến này giúp đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy cho hoạt động quan sát Trái Đất, thiên văn học và khoa học hành tinh.
-
Hệ thống điện giá rẻ và bền bỉ: Khi tốc độ chuyển mạch không phải là yếu tố quan trọng đối với hệ thống điều khiển công suất công nghiệp, 6H-SiC vừa bền bỉ vừa tiết kiệm chi phí. Nhờ khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt và nhiệt độ cao, khách hàng sử dụng thiết bị của công ty được hưởng lợi từ khả năng quản lý năng lượng đáng tin cậy, ít phải sửa chữa và tuổi thọ hệ thống điện cao hơn.
Tối đa hóa hiệu suất SiC
Để tận dụng tối đa 4H-SiC và 6H-SiC, cần phải hiểu rõ điểm mạnh của chúng và áp dụng các phương pháp tối ưu. Các kỹ sư và nhà sản xuất có thể xem xét các yêu cầu cụ thể về quản lý nhiệt, thiết kế thiết bị và ứng dụng của SiC để tối ưu hóa hiệu suất SiC. Một số cách thiết thực để tăng hiệu suất SiC như sau:
-
Tạo nhiệt hiệu quả: Cho phép tạo ra nhiệt lượng đáng kể với độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt đồng thời phù hợp để sử dụng nhiều hơn.
-
Chọn loại Polytype phù hợp cho ứng dụng: Đối với các thiết bị điện tử công suất cao, tần số cao, trong đó hiệu suất và tốc độ chuyển mạch là quan trọng, thì 4H-SiC được chọn, trong khi 6H-SiC tốt hơn cho các ứng dụng yêu cầu độ ổn định về cấu trúc và chi phí thấp hơn.
-
Tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng: Triển khai các trình điều khiển cổng SiC chất lượng cao và thiết kế mạch điện giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tận dụng tối đa các đặc tính điện tuyệt vời của SiC.
-
Nghĩ đến môi trường: Các thành phần SiC được sử dụng trong môi trường Hàng không vũ trụ, Ô tô và công nghiệp cần được thử nghiệm để chịu được sự thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt và ứng suất cơ học để có độ tin cậy lâu dài.
-
Sử dụng Kỹ thuật Đóng gói Tiên tiến: Theo tài liệu, độ tự cảm và điện dung ký sinh có thể được giảm bằng cách sử dụng bao bì được thiết kế hợp lý, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ tổng thể của hệ thống.
Bằng cách tuân theo các phương pháp hay nhất về 4H-SiC và 6H-SiC này, các ngành công nghiệp sẽ có khả năng khai thác hoàn toàn những lợi thế của 4H-SiC và 6H-SiC trong các ứng dụng điện tử công suất và bán dẫn để đạt hiệu quả, độ bền và hiệu quả về chi phí vượt trội.
Phần kết luận
Các tổ chức nên lựa chọn vật liệu SiC theo yêu cầu ứng dụng của mình vì quyết định này quyết định hiệu quả hoạt động và độ tin cậy của hệ thống cũng như tổng chi phí vận hành. 4H-SiC nổi bật là lựa chọn vật liệu SiC tốt nhất cho các ứng dụng công suất cao và tần số cao, đồng thời cung cấp năng lượng cho xe điện, hệ thống điện công nghiệp và thiết bị điện tử hàng không vũ trụ.
Các nhà sản xuất cần lựa chọn loại polytype SiC tối ưu để duy trì lợi thế cạnh tranh khi các ngành công nghiệp đang tìm kiếm hiệu suất và độ bền được cải thiện. Việc lựa chọn vật liệu SiC phù hợp sẽ thúc đẩy sự đổi mới và thành công trên thị trường thông qua việc tối ưu hóa công suất, cải tiến nhiệt và cải thiện độ bền linh kiện trong quá trình phát triển công nghệ thế hệ tiếp theo.