Kakšna je razlika med aplikacijami silicijevega karbida (SiC) in galijevega nitrida (GaN)? - VeTek Semiconductor

SicinGaNse imenujejo "široki polprevodniki pasu" (WBG). Zaradi uporabljenega proizvodnega procesa WBG naprave prikazujejo naslednje prednosti:

1. široki polprevodniki pasu

Galijev nitrid (GaN)inSilicijev karbid (sic)so razmeroma podobni glede pasovne vrzeli in razgradnega polja. Pasovni pas galijevega nitrida je 3,2 eV, medtem ko je pasovni pas silicijevega karbida 3,4 eV. Čeprav se te vrednosti zdijo podobne, so bistveno višje od pasovne širine silicija. Pasovni pas silicija je samo 1,1 eV, kar je trikrat manj kot pri galijevem nitridu in silicijevem karbidu. Višji pasovi teh spojin omogočajo, da galijev nitrid in silicijev karbid udobno podpirata vezja višje napetosti, ne moreta pa podpirati vezja nizke napetosti, kot je silicij.

2. Moč razčlenitve polja

Razgradni polji galijevega nitrida in silicijevega karbida sta razmeroma podobni, pri čemer ima galijev nitrid razgradno polje 3,3 MV/cm, silicijev karbid pa 3,5 MV/cm. Ta razgradna polja omogočajo spojinam, da obvladujejo višje napetosti bistveno bolje kot običajni silicij. Silicij ima razgradno polje 0,3 MV/cm, kar pomeni, da sta GaN in SiC skoraj desetkrat bolj sposobna vzdrževati višje napetosti. Prav tako lahko podpirajo nižje napetosti z bistveno manjšimi napravami.

3. Tranzistor z visoko mobilnostjo elektronov (HEMT)

Najpomembnejša razlika med GaN in SiC je njuna mobilnost elektronov, ki kaže, kako hitro se elektroni premikajo skozi polprevodniški material. Prvič, silicij ima mobilnost elektronov 1500 cm^2/Vs. GaN ima mobilnost elektronov 2000 cm^2/Vs, kar pomeni, da se elektroni gibljejo več kot 30 % hitreje kot elektroni silicija. Vendar ima SiC mobilnost elektronov 650 cm^2/Vs, kar pomeni, da se elektroni SiC premikajo počasneje kot elektroni GaN in Si. S tako visoko mobilnostjo elektronov je GaN skoraj trikrat bolj zmogljiv za visokofrekvenčne aplikacije. Elektroni se lahko premikajo skozi GaN polprevodnike veliko hitreje kot SiC.

4. Toplotna prevodnost GaN in Sic

Toplotna prevodnost materiala je njegova sposobnost prenosa toplote skozi sebe. Toplotna prevodnost neposredno vpliva na temperaturo materiala glede na okolje, v katerem se uporablja. Pri aplikacijah z visoko močjo neučinkovitost materiala ustvarja toploto, ki zviša temperaturo materiala in posledično spremeni njegove električne lastnosti. GaN ima toplotno prevodnost 1,3 W/cmK, kar je pravzaprav slabše od prevodnosti silicija, ki ima prevodnost 1,5 W/cmK. Vendar ima SiC toplotno prevodnost 5 W/cmK, zaradi česar je skoraj trikrat boljši pri prenosu toplotnih obremenitev. Zaradi te lastnosti je SiC zelo ugoden pri aplikacijah z visoko močjo in visoko temperaturo.

5. Postopek proizvodnje polprevodniških rezin

Trenutni proizvodni procesi so omejujoči dejavnik za GAN in SIC, ker so dražji, manj natančni ali bolj energijsko intenzivni kot široko sprejeti procesi iz proizvodnje silicija. Na primer, Gan vsebuje veliko število kristalnih napak na majhnem območju. Silicij lahko na drugi strani vsebuje le 100 napak na kvadratni centimeter. Očitno zaradi te velike stopnje napake GAN naredi neučinkovito. Medtem ko so proizvajalci v zadnjih letih močno napredovali, se Gan še vedno bori za izpolnjevanje strogih zahtev za oblikovanje polprevodnikov.

6. Trg močnostnih polprevodnikov

V primerjavi s silikonom trenutna proizvodna tehnologija omejuje stroškovno učinkovitost galijevega nitrida in silicijevega karbida, zaradi česar sta oba materiala z visoko močjo dražja v kratkem času. Vendar imata oba materiala močne prednosti v posebnih polprevodniških aplikacijah.

Silicijev karbid je lahko kratkoročno bolj učinkovit izdelek, ker je lažje izdelati večje in bolj enakomerne SiC rezine kot galijev nitrid. Sčasoma bo galijev nitrid zaradi svoje večje mobilnosti elektronov našel svoje mesto v majhnih, visokofrekvenčnih izdelkih. Silicijev karbid bo bolj zaželen v izdelkih z večjo močjo, ker so njegove močnostne zmogljivosti višje od toplotne prevodnosti galijevega nitrida.

Gallium nitrid and naprave iz silicijevega karbida tekmujejo s silicijevimi polprevodniškimi (LDMOS) MOSFET-ji in superjunkcijskimi MOSFET-ji. Naprave GaN in SiC so si na nek način podobne, vendar obstajajo tudi pomembne razlike.

Slika 1. Razmerje med visokonapetostjo, visokim tokom, preklopno frekvenco in večjimi območji aplikacij.

Polprevodniki s široko pasovno vrzeljo

WBG Semiconductors imajo večjo mobilnost elektronov in večjo energijo pasu, kar pomeni vrhunske lastnosti nad silicijem. Transistorji, izdelani iz polprevodnikov WBG, imajo večje razpadne napetosti in toleranco do visokih temperatur. Te naprave ponujajo prednosti pred silicijem v visokonapetostnih in visoki moči.

Slika 2. Kaskadni vezje z dvojnim diem pretvori tranzistor GAN v običajno napravo, ki omogoča standardno delovanje izboljšanja v stikalnih vezjih z visoko močjo

Tranzistorji WBG preklapljajo tudi hitreje kot silicij in lahko delujejo pri višjih frekvencah. Nižja odpornost "na" pomeni, da razpršijo manj energije in izboljšajo energetsko učinkovitost. Ta edinstvena kombinacija značilnosti naredi te naprave privlačne za nekatera najzahtevnejša vezja v avtomobilskih aplikacijah, zlasti hibridnih in električnih vozilih.

Tranzistorji GaN in SiC za soočanje z izzivi v avtomobilski električni opremi

Ključne prednosti naprav GaN in SiC: visokonapetostna zmogljivost z napravami 650 V, 900 V in 1200 V,

Silicijev karbid:

Višje 1700V.3300V in 6500V.

Hitrejše preklopne hitrosti,

Višje delovne temperature.

Nižji upor, minimalna disipacija moči in večja energetska učinkovitost.

Naprave GaN

V preklopnih aplikacijah imajo prednost naprave za izboljšanje (ali E-način), ki so običajno "izklopljene", kar je privedlo do razvoja naprav E-načina GaN. Najprej se je pojavila kaskada dveh FET naprav (slika 2). Zdaj so na voljo standardne GaN naprave v e-načinu. Lahko preklapljajo pri frekvencah do 10 MHz in nivojih moči do več deset kilovatov.

Naprave GaN se pogosto uporabljajo v brezžični opremi kot ojačevalniki moči pri frekvencah do 100 GHz. Nekateri glavni primeri uporabe so močnostni ojačevalniki baznih postaj, vojaški radarji, satelitski oddajniki in splošno RF ojačanje. Zaradi visoke napetosti (do 1000 V), visoke temperature in hitrega preklapljanja pa so vgrajeni tudi v različne preklopne napajalne aplikacije, kot so DC-DC pretvorniki, inverterji in polnilniki baterij.

Sic naprave

Tranzistorji SiC so naravni MOSFET-ji v načinu E. Te naprave lahko preklapljajo pri frekvencah do 1 MHz in pri nivojih napetosti in toka, ki so veliko višji kot silicijevi MOSFET-ji. Največja napetost odtok-izvor je do približno 1800 V, tokovna zmogljivost pa 100 amperov. Poleg tega imajo naprave SiC veliko nižji upor pri vklopu kot silicijevi MOSFET-ji, kar ima za posledico višjo učinkovitost v vseh aplikacijah stikalnega napajanja (zasnove SMPS).

SIC naprave potrebujejo napetostni pogon od 18 do 20 voltov, da napravo vklopite z nizko odpornostjo. Standardni SI MOSFET potrebujejo manj kot 10 voltov na vratih, da se v celoti vklopijo. Poleg tega SIC naprave potrebujejo pogon od -3 do -5 V vrat za prehod v izklopljeno stanje. Visoko napetost, visoke tokovne zmogljivosti SIC MOSFET -ov so idealne za avtomobilska vezja.

V mnogih aplikacijah IGBT zamenjajo naprave iz SiC. Naprave iz SiC lahko preklapljajo pri višjih frekvencah, kar zmanjša velikost in ceno induktorjev ali transformatorjev, hkrati pa izboljša učinkovitost. Poleg tega lahko SiC prenese višje tokove kot GaN.

Obstaja konkurenca med napravami GaN in SiC, zlasti silicijevimi LDMOS MOSFET-ji, superjunkcijskimi MOSFET-ji in IGBT-ji. V mnogih aplikacijah jih nadomeščajo tranzistorji GaN in SiC.

Če povzamemo primerjavo GaN in SiC, so tukaj poudarki:

GAN stika hitreje kot SI.

SIC deluje pri višjih napetostih kot gan.

SIC zahteva visoke napetosti pogona.

Številna napajalna vezja in naprave je mogoče izboljšati z načrtovanjem z GaN in SiC. Eden največjih koristi je avtomobilski električni sistem. Sodobna hibridna in električna vozila vsebujejo naprave, ki te naprave lahko uporabljajo. Nekatere izmed priljubljenih aplikacij so OBC, pretvorniki DC-DC, motorni pogoni in LiDAR. Slika 3 prikazuje glavne podsisteme v električnih vozilih, ki zahtevajo preklopne tranzistorje visoke moči.

Slika 3.  Vgrajeni polnilnik WBG (OBC) za hibridna in električna vozila. Vhod AC se popravi, faktor moči popravi (PFC) in nato pretvori DC-DC

DC-DC pretvornik. To je napajalno vezje, ki pretvori visoko napetost akumulatorja v nižjo napetost, da zažene druge električne naprave. Današnja napetost akumulatorja se giblje do 600V ali 900V. Pretvornik DC-DC ga presega na 48V ali 12V ali oboje za delovanje drugih elektronskih komponent (slika 3). V hibridnih električnih in električnih vozilih (HEVEV) se lahko DC-DC uporablja tudi za visokonapetostni vodilo med baterijo in pretvornikom.

Nagradni polnilniki (OBCS). Pluc-In HEVEV in EV vsebujejo notranji polnilnik akumulatorja, ki ga je mogoče povezati z napajanjem AC. To omogoča polnjenje doma brez potrebe po zunanjem polnilniku AC -DC (slika 4).

Glavni gonilnik motorja. Glavni pogonski motor je izmenični motor z visoko izhodom, ki poganja kolesa vozila. Gonilnik je pretvornik, ki pretvori napetost akumulatorja v trifazni AC, da se motor obrne.

Slika 4. Tipičen pretvornik DC-DC se uporablja za pretvorbo visokih napetosti baterije v 12 V in/ali 48 V. IGBT-je, ki se uporabljajo v visokonapetostnih mostovih, nadomeščajo SiC MOSFET-ji.

Tranzistorji GAN in SIC ponujajo avtomobilske električne oblikovalce prilagodljivost in enostavnejše modele ter vrhunske zmogljivosti zaradi svojih visokonapetostnih, visokih tokovnih in hitrih preklopnih lastnosti.

Vetek Semiconductor je profesionalni kitajski proizvajalecPrevleka iz tantalovega karbida, Prevleka iz silicijevega karbida, GAN izdelki, Poseben grafit, Keramika iz silicijevega karbidainDruga polprevodniška keramika. Vetek Semiconductor se zavezuje k zagotavljanju naprednih rešitev za različne izdelke za prevleke za polprevodniško industrijo.

Če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

E -pošta: anny@veteksemi.com