O carbeto de silício (SiC) tornou-se um material fundamental para a eletrônica de potência de próxima geração, sistemas de alta temperatura e dispositivos de alta frequência. O que torna o SiC único é que ele pode cristalizar em muitos politipos—mais de 200 foram identificados—mesmo que todos compartilhem a mesma fórmula química. Dentre estes, 4H-SiC e 6H-SiC são, de longe, os mais importantes comercialmente.

De fora, eles parecem semelhantes: ambos são politipos hexagonais com alta condutividade térmica, forte ligação covalente e grandes bandas proibidas. No entanto, diferenças sutis no empilhamento atômico lhes dão comportamentos eletrônicos distintos e determinam como são usados em dispositivos semicondutores.

Este artigo fornece uma explicação clara e original de como 4H-SiC e 6H-SiC diferem em estrutura cristalina, propriedades físicas e aplicações práticas.

1. Por que o SiC forma diferentes politipos

O SiC é composto por camadas alternadas de silício e carbono. Embora cada camada tenha a mesma disposição atômica, sua ordem de empilhamento pode mudar. Essa sequência de empilhamento é o que gera diferentes politipos.

Uma analogia simples é empilhar cartas de baralho idênticas em diferentes padrões de deslocamento. As cartas não mudam, mas a forma geral muda.

Em SiC:

• um padrão curto e repetitivo cria um politipo como 4H,

• enquanto um padrão mais longo cria 6H.

Mesmo pequenas mudanças estruturais são suficientes para alterar a estrutura da banda, os níveis de energia e a mobilidade dos portadores.

2. Comparação da estrutura cristalina

4H-SiC

• A sequência de empilhamento se repete a cada quatro camadas

• A simetria do cristal é hexagonal

• A constante de rede do eixo C é aproximadamente 10,1 Å

Como sua sequência de empilhamento é mais curta e mais uniforme, o cristal resultante exibe menos anisotropia e propriedades eletrônicas mais consistentes em diferentes direções.

6H-SiC

• A sequência de empilhamento se repete a cada seis camadas

• Simetria do cristal hexagonal

• A constante de rede do eixo C é aproximadamente 15,1 Å

A distância de repetição mais longa cria múltiplos sítios atômicos não equivalentes, tornando a estrutura da banda mais complexa e levando à mobilidade dos portadores dependente da direção.

3. Bandgap e propriedades eletrônicas

4H-SiC oferece:

• bandgap mais alta

• campo de ruptura mais alto

• transporte de elétrons mais rápido

Essas características o tornam especialmente adequado para dispositivos de alta tensão e alta frequência.

6H-SiC, embora ainda seja um material de grande banda proibida, mostra menor mobilidade devido à sequência de empilhamento mais complexa.

4. Características térmicas e mecânicas

Ambos os politipos compartilham as mesmas fortes ligações covalentes Si–C, dando-lhes:

• alta condutividade térmica

• excelente resistência mecânica

• resistência à radiação e corrosão química

Os valores de condutividade térmica são semelhantes:

• 4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K

As diferenças são muito pequenas para influenciar significativamente a seleção do dispositivo.

5. Aplicações: onde cada politipo se destaca

4H-SiC: O padrão da indústria para eletrônica de potência

4H-SiC é dominante em:

• MOSFETs

• Diodos Schottky

• Módulos de potência

• Interruptores de alta tensão

• Conversores de alta frequência

Sua mobilidade de elétrons e campo de ruptura superiores melhoram diretamente a eficiência do dispositivo, a velocidade de comutação e a robustez térmica. É por isso que quase todos os dispositivos de potência SiC modernos são baseados em 4H-SiC.

6H-SiC: nicho, mas ainda valioso

6H-SiC é usado em:

• Dispositivos de micro-ondas

• Optoeletrônica

• Substratos para epitaxia GaN

• Fotodetectores UV

• Aplicações de pesquisa especializadas

Como suas propriedades eletrônicas variam com a direção do cristal, ele às vezes permite comportamentos de material que não são alcançáveis com 4H-SiC.

6. Qual politipo os engenheiros devem escolher?

Se o objetivo for:

• tensão mais alta

• maior eficiência

• frequência de comutação mais alta

• menor perda de condução

então 4H-SiC é a escolha clara.

Se a aplicação envolver:

• pesquisa de materiais experimentais

• comportamento RF de nicho

• compatibilidade com dispositivos legados

então 6H-SiC continua útil.

7. Conclusão

Embora 4H-SiC e 6H-SiC compartilhem a mesma composição elementar, suas diferentes sequências de empilhamento criam paisagens eletrônicas distintas. Para a eletrônica de potência moderna, 4H-SiC oferece desempenho superior e se tornou o politipo dominante da indústria. Enquanto isso, 6H-SiC continua a desempenhar um papel importante nos campos especializados de optoeletrônica e RF.

A compreensão dessas diferenças estruturais e eletrônicas ajuda os engenheiros a escolher o material mais adequado para dispositivos semicondutores de próxima geração.