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

SiCinGaNse imenujejo "polprevodniki s širokim pasovnim presledkom" (WBG). Zaradi uporabljenega proizvodnega procesa naprave WBG izkazujejo naslednje prednosti:

1. Polprevodniki s širokim pasovnim presledkom

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 razgradnega 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 izdelave polprevodniških rezin

Trenutni proizvodni procesi so omejevalni dejavnik za GaN in SiC, ker so dražji, manj natančni ali bolj energetsko intenzivni kot široko sprejeti postopki proizvodnje silicija. Na primer, GaN vsebuje veliko število kristalnih napak na majhnem območju. Silicij pa lahko vsebuje samo 100 napak na kvadratni centimeter. Očitno je zaradi te ogromne stopnje napak GaN neučinkovit. Medtem ko so proizvajalci v zadnjih letih zelo napredovali, se GaN še vedno trudi izpolniti stroge zahteve za oblikovanje polprevodnikov.

6. Trg močnostnih polprevodnikov

V primerjavi s silicijem trenutna proizvodna tehnologija omejuje stroškovno učinkovitost galijevega nitrida in silicijevega karbida, zaradi česar sta oba zmogljiva materiala kratkoročno dražja. Vendar imata oba materiala močne prednosti v specifičnih 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.

Galijev 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 visoko napetostjo, visokim tokom, preklopno frekvenco in glavnimi področji uporabe.

Polprevodniki s široko pasovno vrzeljo

Sestavljeni polprevodniki WBG imajo večjo mobilnost elektronov in višjo energijo pasovnega razmika, kar pomeni boljše lastnosti kot silicij. Tranzistorji iz sestavljenih polprevodnikov WBG imajo višje prebojne napetosti in toleranco na visoke temperature. Te naprave ponujajo prednosti pred silicijem pri visokonapetostnih in močnih aplikacijah.

Slika 2. Kaskadno vezje z dvojno matrico in dvojnim FET pretvori tranzistor GaN v normalno izklopljeno napravo, ki omogoča standardno delovanje v načinu izboljšave v preklopnih vezjih visoke moči

WBG tranzistorji tudi preklapljajo hitreje kot silicij in lahko delujejo pri višjih frekvencah. Nižji upor pri vklopu pomeni, da razpršijo manj energije, kar izboljša energetsko učinkovitost. Zaradi te edinstvene kombinacije lastnosti so te naprave privlačne za nekatera najzahtevnejša vezja v avtomobilskih aplikacijah, zlasti za hibridna in električna vozila.

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:

Higher 1700V.3300V and 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).

Naprave SiC potrebujejo napetostni pogon vrat od 18 do 20 voltov, da vklopijo napravo z nizko upornostjo. Standardni Si MOSFET-ji potrebujejo manj kot 10 voltov na vratih, da se popolnoma vklopijo. Poleg tega naprave SiC potrebujejo pogon vrat -3 do -5 V za preklop v izklopljeno stanje. Zaradi visoke napetosti in visokega toka so MOSFET-ji SiC idealni za avtomobilska napajalna 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 preklopi hitreje kot Si.

SiC deluje pri višjih napetostih kot GaN.

SiC zahteva visoke pogonske napetosti vrat.

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 izmeničnega toka se popravi, faktor moči popravi (PFC) in nato pretvori DC-DC

DC-DC pretvornik. To je napajalni krog, ki pretvori visoko napetost baterije v nižjo napetost za delovanje drugih električnih naprav. Današnja napetost baterije sega do 600V ali 900V. Pretvornik DC-DC ga zniža na 48 V ali 12 V ali oboje za delovanje drugih elektronskih komponent (slika 3). V hibridnih električnih in električnih vozilih (HEVEV) se lahko DC-DC uporablja tudi za visokonapetostno vodilo med baterijskim paketom in pretvornikom.

Vgrajeni polnilniki (OBC). 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).

Gonilnik glavnega pogonskega motorja. Glavni pogonski motor je visoko zmogljiv AC motor, ki poganja kolesa vozila. Gonilnik je pretvornik, ki pretvarja napetost akumulatorja v trifazni izmenični tok za obračanje motorja.

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 avtomobilskim električnim načrtovalcem prilagodljivost in enostavnejše zasnove ter vrhunsko zmogljivost zaradi svoje visoke napetosti, visokega toka 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 je zavezan zagotavljanju naprednih rešitev za različne premazne izdelke za industrijo polprevodnikov.

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