Jaký je rozdíl mezi aplikacemi karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN)? - VeTek Semiconductor

SicaObějsou označovány jako „Wide Bandgap Semiconductors“ (WBG). Vzhledem k použitému výrobnímu procesu vykazují zařízení WBG následující výhody:

1. Široké pásmové polovodiče

Gallium nitrid (GAN)akarbid křemíku (SiC)jsou relativně podobné, pokud jde o pole BandGap a rozklad. Bandgap nitridu gallia je 3,2 eV, zatímco bandgap karbidu křemíku je 3,4 eV. Ačkoli se tyto hodnoty zdají podobné, jsou výrazně vyšší než bandgap křemíku. Bandgap křemíku je pouze 1,1 eV, což je třikrát menší než u nitridu gallia a křemíkového karbidu. Vyšší bandgaps těchto sloučenin umožňují nitridu gallia a karbid křemíku pohodlně podporovat obvody vyššího napětí, ale nemohou podporovat nízkopěťové obvody, jako je křemík.

2. Rozdělení síly pole

Rozkladová pole nitridu gallia a karbidu křemíku jsou relativně podobná, přičemž nitrid gallia má rozkladové pole 3,3 mv/cm a karbid křemíku s rozkladovým polem 3,5 mv/cm. Tato rozkladová pole umožňují sloučeninám zvládnout vyšší napětí výrazně lépe než běžný křemík. Křemík má rozkladové pole 0,3 mV/cm, což znamená, že GAN a SIC jsou téměř desetkrát schopny udržovat vyšší napětí. Jsou také schopny podporovat nižší napětí pomocí výrazně menších zařízení.

3. Tranzistor s vysokou elektronovou mobilitou (HEMT)

Nejvýznamnějším rozdílem mezi GAN a SIC je jejich mobilita elektronů, což naznačuje, jak se rychlé elektrony pohybují polovodičovým materiálem. Za prvé, Silicon má mobilitu elektronů 1500 cm^2/vs. GAN má mobilitu elektronů 2000 cm^2/vs, což znamená, že elektrony se pohybují o více než 30% rychleji než Silicon's Electrons. SIC však má mobilitu elektronů 650 cm^2/vs, což znamená, že elektrony SIC se pohybují pomaleji než elektrony Gan a SI. S tak vysokou mobilitou elektronů je GAN téměř třikrát schopný pro vysokofrekvenční aplikace. Elektrony se mohou pohybovat přes polovodiče GAN mnohem rychleji než SIC.

4. tepelná vodivost GAN a SIC

Tepelnou vodivostí materiálu je jeho schopnost přenášet teplo skrze sebe. Tepelná vodivost přímo ovlivňuje teplotu materiálu vzhledem k prostředí, ve kterém se používá. Ve vysoce výkonných aplikacích vytváří neefektivnost materiálu teplo, což zvyšuje teplotu materiálu a následně mění jeho elektrické vlastnosti. GAN má tepelnou vodivost 1,3 W/CMK, což je ve skutečnosti horší než vodivost křemíku, která má vodivost 1,5 W/CMK. SIC však má tepelnou vodivost 5 W/CMK, což je téměř třikrát lepší při přenášení tepelného zatížení. Tato vlastnost činí SIC vysoce výhodnou ve vysoce výkonných, vysokoteplotních aplikacích.

5. Proces výrobního procesu polovodiče

Současné výrobní procesy jsou pro GAN a SIC omezujícím faktorem, protože jsou dražší, méně přesné nebo energeticky náročnější než široce přijímané procesy výroby křemíku. Například GAN obsahuje velké množství krystalových defektů na malé ploše. Na druhé straně křemík může obsahovat pouze 100 vad na centimetr čtvereční. Je zřejmé, že tato obrovská míra vady je GAN neefektivní. Zatímco výrobci v posledních letech učinili velké pokroky, GAN se stále snaží splnit přísné požadavky na návrh polovodičů.

6. Power Semiconductor Market

Ve srovnání s křemíkem omezuje současná výrobní technologie nákladovou efektivitu nitridu galia a karbidu křemíku, takže oba vysoce výkonné materiály jsou krátkodobě dražší. Oba materiály však mají velké výhody ve specifických polovodičových aplikacích.

Karbid křemíku může být v krátkodobém horizontu účinnějším produktem, protože je snazší vyrábět větší a jednotnější sic oplatky než nitrid gallia. V průběhu času najde nitrid gallia své místo v malých vysokofrekvenčních produktech vzhledem k jeho vyšší mobilitě elektronů. Karbid křemíku bude žádoucí u větších energetických produktů, protože jeho výkonové schopnosti jsou vyšší než tepelná vodivost nitridu gallia.

Nitrid gallium anD silikonové karbidové zařízení soutěží s mosfety silicon polovodiče (LDMOS) a mosfety superjunkcí. Zařízení GAN a SIC jsou v některých ohledech podobná, ale existují také významné rozdíly.

Obrázek 1.. Vztah mezi vysokým napětím, vysokým proudem, frekvencí přepínání a hlavními oblastmi aplikací.

Široký bandgap polovodiče

Složené polovodiče WBG mají vyšší mobilitu elektronů a vyšší energii bandgap, což se promítá do lepších vlastností než křemík. Tranzistory vyrobené ze sloučenin WBG polovodičů mají vyšší průrazná napětí a toleranci vůči vysokým teplotám. Tato zařízení nabízejí oproti křemíku výhody ve vysokonapěťových a vysoce výkonných aplikacích.

Obr.

WBG tranzistory také spínají rychleji než křemík a mohou pracovat na vyšších frekvencích. Nižší odpor „zapnuto“ znamená, že rozptylují méně energie a zlepšují energetickou účinnost. Tato jedinečná kombinace charakteristik činí tato zařízení atraktivní pro některé z nejnáročnějších obvodů v automobilových aplikacích, zejména hybridních a elektrických vozidel.

Tranzistory GAN a SIC, které splňují výzvy v elektrickém zařízení pro automobily

Klíčové výhody zařízení GaN a SiC: Možnost vysokého napětí se zařízeními 650 V, 900 V a 1200 V,

Křemíkový karbid:

Vyšší 1700V,3300V a 6500V.

Rychlejší přepínací rychlosti,

Vyšší provozní teploty.

Nižší na odporu, minimální rozptyl výkonu a vyšší energetické účinnosti.

GAN zařízení

Při přepínání aplikací jsou upřednostňována zařízení pro vylepšení (nebo e-e-režim), která jsou obvykle „vypnutá“, což vedlo k vývoji zařízení E-režim GAN. Nejprve přišla kaskáda dvou FET zařízení (obrázek 2). Nyní jsou k dispozici standardní zařízení E-režim GAN. Mohou přepínat při frekvencích až do 10 MHz a úrovně výkonu až do desítek kilowattů.

Zařízení GAN se široce používají v bezdrátových zařízeních jako výkonové zesilovače při frekvencích až do 100 GHz. Některé z hlavních případů použití jsou zesilovače výkonu buněčné základní stanice, vojenské radary, satelitní vysílače a obecná RF zesílení. Avšak vzhledem k vysokému napětí (až 1 000 V), vysoké teplotě a rychlému přepínání jsou také začleněny do různých přepínacích aplikací, jako jsou převaděče DC-DC, střídače a nabíječky baterií.

SIC zařízení

Tranzistory SIC jsou přírodní e-režim MOSFETS. Tato zařízení mohou přepínat frekvence až do 1 MHz a při napětí a proudu mnohem vyšší než Silicon Mosfets. Napětí maximálního odtokového zdroje je až asi 1 800 V a schopnost proudu je 100 Amps. Kromě toho mají zařízení SIC mnohem nižší odolnost než Silicon MOSFETS, což má za následek vyšší účinnost ve všech aplikacích přepínacího napájení (návrhy SMPS).

Zařízení SiC vyžadují pohon hradlového napětí 18 až 20 voltů, aby se zařízení zapnulo s nízkým odporem. Standardní Si MOSFETy vyžadují pro úplné zapnutí méně než 10 voltů na bráně. Zařízení SiC navíc vyžadují k přepnutí do vypnutého stavu pohon hradla -3 až -5 V. Vysokonapěťové a proudové schopnosti SiC MOSFETů z nich dělají ideální pro automobilové napájecí obvody.

V mnoha aplikacích jsou IGBT nahrazeny zařízeními SIC. Zařízení SIC mohou přepínat při vyšších frekvencích, zmenšit velikost a náklady na induktory nebo transformátory při zlepšování účinnosti. Kromě toho může SIC zvládnout vyšší proudy než GAN.

Existuje konkurence mezi zařízeními GAN a SIC, zejména Silicon LDMOS MOSFETS, SUPERjunction MOSFETS a IGBT. V mnoha aplikacích jsou nahrazeny tranzistory GAN a SIC.

Abych shrnul srovnání GAN vs. SIC, zde jsou hlavní body:

GAN přepíná rychleji než SI.

SIC pracuje při vyšších napětích než GAN.

Sic vyžaduje vysoké napětí hradla.

Mnoho výkonových obvodů a zařízení lze vylepšit navržením s GaN a SiC. Jedním z největších přínosů je automobilový elektrický systém. Moderní hybridní a elektrická vozidla obsahují zařízení, která mohou tato zařízení využívat. Některé z populárních aplikací jsou OBC, DC-DC měniče, motorové pohony a LiDAR. Obrázek 3 ukazuje hlavní subsystémy v elektrických vozidlech, které vyžadují vysoce výkonné spínací tranzistory.

Obrázek 3. WBG na palubní nabíječce (OBC) pro hybridní a elektrická vozidla. AC vstup je napraven, korigován účinek (PFC) a poté převedený DC-DC

DC-DC měnič. Jedná se o napájecí obvod, který převádí vysoké napětí baterie na spodní napětí pro spuštění jiných elektrických zařízení. Dnešní napětí baterie se pohybuje až do 600 V nebo 900 V. Převodník DC-DC jej zasahuje na 48V nebo 12V nebo obojí pro provoz jiných elektronických komponent (obrázek 3). V hybridních elektrických a elektrických vozidlech (HEVEV) lze DC-DC použít také pro vysokopěťovou sběrnici mezi baterií a střídačem.

Palubní nabíječky (OBC). Plug-in HEVEVS a EV obsahují interní nabíječku baterie, která může být připojena k napájení sítě AC. To umožňuje nabíjení doma bez potřeby externí nabíječky AC -DC (obrázek 4).

Ovladač motoru hlavního pohonu. Hlavním motorem pohonu je vysoce výkonný střídavý motor, který řídí kola vozidla. Ovladač je střídač, který převádí napětí baterie na třífázový střídavý proud, aby otočil motor.

Obrázek 4. Typický převaděč DC-DC se používá k přeměně vysokého napětí baterie na 12 V a/nebo 48 V. IGBT používané ve vysokopěťových mostech je nahrazeno SIC MOSFETS.

Tranzistory GaN a SiC nabízejí konstruktérům automobilové elektrotechniky flexibilitu a jednodušší návrhy, stejně jako vynikající výkon díky jejich vysokému napětí, vysokému proudu a rychlým spínacím charakteristikám.

VeTek Semiconductor je profesionální čínský výrobcePotahování karbidu tantalu, Povlak z karbidu křemíku, produkty Obě, Speciální grafit, Keramika karbidu křemíkuaDalší polovodičová keramika. Vetek Semiconductor se zavazuje poskytovat pokročilá řešení pro různé nátěrové výrobky pro polovodičový průmysl.

Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com