Aký je rozdiel medzi aplikáciami karbidu kremíka (SiC) a nitridu gália (GaN)? - VeTek Semiconductor

SiCaGaNsa označujú ako "široké pásmové polovodiče" (WBG). Vďaka použitému výrobnému procesu majú zariadenia WBG tieto výhody:

1. Široká bandgap Semiconductors

nitrid gália (GaN)akarbid kremíka (SiC)sú relatívne podobné, pokiaľ ide o bandgap a pole rozpadu. Bandgap nitridu gália je 3,2 eV, zatiaľ čo bandgap karbidu kremíka je 3,4 eV. Aj keď sa tieto hodnoty zdajú podobné, sú výrazne vyššie ako bandgap kremíka. Bandgap kremíka je iba 1,1 eV, čo je trikrát menej ako u nitridu gália a karbidu kremíka. Vyššie bandgaps týchto zlúčenín umožňuje nitridu gália a karbidu kremíka pohodlne podporovať obvody s vyšším napätím, ale nemôžu podporovať nízkonapäťové obvody ako kremík.

2. Rozdelenie sily poľa

Prierazové polia nitridu gália a karbidu kremíka sú relatívne podobné, pričom nitrid gália má prierazné pole 3,3 MV/cm a karbid kremíka má prierazné pole 3,5 MV/cm. Tieto prierazné polia umožňujú zlúčeninám zvládnuť vyššie napätie výrazne lepšie ako bežný kremík. Kremík má prierazné pole 0,3 MV/cm, čo znamená, že GaN a SiC sú takmer desaťkrát schopné udržať vyššie napätie. Sú tiež schopné podporovať nižšie napätie pomocou výrazne menších zariadení.

3. Tranzistor s vysokou elektrónovou mobilitou (HEMT)

Najvýznamnejším rozdielom medzi GaN a SiC je ich pohyblivosť elektrónov, ktorá udáva, ako rýchlo sa elektróny pohybujú cez polovodičový materiál. Po prvé, kremík má pohyblivosť elektrónov 1500 cm^2/Vs. GaN má pohyblivosť elektrónov 2000 cm^2/Vs, čo znamená, že elektróny sa pohybujú o viac ako 30 % rýchlejšie ako elektróny kremíka. SiC má však pohyblivosť elektrónov 650 cm^2/Vs, čo znamená, že elektróny SiC sa pohybujú pomalšie ako elektróny GaN a Si. S takou vysokou mobilitou elektrónov je GaN takmer trikrát schopnejší pre vysokofrekvenčné aplikácie. Elektróny sa môžu pohybovať cez GaN polovodiče oveľa rýchlejšie ako SiC.

4. Tepelná vodivosť GaN a SiC

Tepelná vodivosť materiálu je jeho schopnosť prenášať teplo cez seba. Tepelná vodivosť priamo ovplyvňuje teplotu materiálu vzhľadom na prostredie, v ktorom sa používa. Vo vysokovýkonných aplikáciách neefektívnosť materiálu vytvára teplo, ktoré zvyšuje teplotu materiálu a následne mení jeho elektrické vlastnosti. GaN má tepelnú vodivosť 1,3 W/cmK, čo je v skutočnosti horšie ako kremík, ktorý má vodivosť 1,5 W/cmK. SiC má však tepelnú vodivosť 5 W/cmK, vďaka čomu je takmer trikrát lepší pri prenose tepelnej záťaže. Táto vlastnosť robí SiC veľmi výhodným vo vysokovýkonných aplikáciách pri vysokých teplotách.

5. Proces výroby polovodičových plátkov

Súčasné výrobné procesy sú limitujúcim faktorom pre GaN a SiC, pretože sú drahšie, menej presné alebo energeticky náročnejšie ako široko používané procesy výroby kremíka. Napríklad GaN obsahuje veľké množstvo kryštálových defektov na malej ploche. Na druhej strane kremík môže obsahovať iba 100 defektov na štvorcový centimeter. Je zrejmé, že táto obrovská chybovosť robí GaN neefektívnym. Zatiaľ čo výrobcovia urobili v posledných rokoch veľký pokrok, GaN sa stále snaží splniť prísne požiadavky na dizajn polovodičov.

6. Trh výkonových polovodičov

V porovnaní s kremíkom súčasná výrobná technológia obmedzuje nákladovú efektívnosť nitridu gália a karbidu kremíka, čím sú oba vysokovýkonné materiály krátkodobo drahšie. Oba materiály však majú silné výhody v špecifických aplikáciách polovodičov.

Karbid kremíka môže byť z krátkodobého hľadiska efektívnejší produkt, pretože je jednoduchšie vyrábať väčšie a rovnomernejšie doštičky SiC ako nitrid gália. Postupom času si nitrid gália nájde svoje miesto v malých, vysokofrekvenčných produktoch vzhľadom na jeho vyššiu mobilitu elektrónov. Karbid kremíka bude vhodnejší vo väčších energetických produktoch, pretože jeho energetické schopnosti sú vyššie ako tepelná vodivosť nitridu gália.

nitrid gália and Zariadenia z karbidu kremíka súťažia s kremíkovými polovodičovými (LDMOS) MOSFET a superjunction MOSFET. Zariadenia GaN a SiC sú si v niektorých smeroch podobné, no existujú aj značné rozdiely.

Obrázok 1. Vzťah medzi vysokým napätím, vysokým prúdom, spínacou frekvenciou a hlavnými oblasťami použitia.

Polovodiče so širokým pásmovým odstupom

WBG zložené polovodiče majú vyššiu mobilitu elektrónov a vyššiu energiu bandgap, čo sa premieta do vynikajúcich vlastností v porovnaní s kremíkom. Tranzistory vyrobené zo zložených polovodičov WBG majú vyššie prierazné napätie a toleranciu voči vysokým teplotám. Tieto zariadenia ponúkajú výhody oproti kremíku vo vysokonapäťových a vysokovýkonných aplikáciách.

Obrázok 2. Kaskádový obvod s dvojitou matricou dual-FET premieňa tranzistor GaN na normálne vypnuté zariadenie, čo umožňuje štandardnú prevádzku v režime vylepšenia vo vysokovýkonných spínacích obvodoch

WBG tranzistory tiež spínajú rýchlejšie ako kremík a môžu pracovať pri vyšších frekvenciách. Nižší odpor „zapnutia“ znamená, že rozptyľujú menej energie, čím zlepšujú energetickú účinnosť. Táto jedinečná kombinácia charakteristík robí tieto zariadenia atraktívnymi pre niektoré z najnáročnejších obvodov v automobilových aplikáciách, najmä hybridných a elektrických vozidiel.

Tranzistory GaN a SiC na riešenie výziev v oblasti automobilových elektrických zariadení

Hlavné výhody zariadení GaN a SiC: Schopnosť vysokého napätia so zariadeniami 650 V, 900 V a 1200 V,

Karbid kremíka:

Vyššie 1700V,3300V a 6500V.

Vyššia rýchlosť prepínania,

Vyššie prevádzkové teploty.

Nižší odpor, minimálna strata energie a vyššia energetická účinnosť.

Zariadenia GaN

V prepínacích aplikáciách sa uprednostňujú zariadenia v vylepšenom režime (alebo v režime E), ktoré sú zvyčajne „vypnuté“, čo viedlo k vývoju zariadení GaN v režime E. Najprv prišla kaskáda dvoch FET zariadení (obrázok 2). Teraz sú k dispozícii štandardné zariadenia GaN v e-režime. Dokážu spínať na frekvenciách do 10 MHz a výkonových úrovniach až do desiatok kilowattov.

GaN zariadenia sú široko používané v bezdrôtových zariadeniach ako výkonové zosilňovače pri frekvenciách do 100 GHz. Niektoré z hlavných prípadov použitia sú výkonové zosilňovače bunkovej základňovej stanice, vojenské radary, satelitné vysielače a všeobecné RF zosilnenie. Avšak kvôli vysokému napätiu (až 1 000 V), vysokej teplote a rýchlemu spínaniu sú začlenené aj do rôznych aplikácií spínaného napájania, ako sú DC-DC meniče, invertory a nabíjačky batérií.

SiC zariadenia

SiC tranzistory sú prirodzené MOSFETy v E-režime. Tieto zariadenia môžu prepínať pri frekvenciách do 1 MHz a pri napäťových a prúdových úrovniach oveľa vyšších ako kremíkové MOSFETy. Maximálne napätie kolektora je až 1 800 V a prúdová kapacita je 100 ampérov. Okrem toho zariadenia SiC majú oveľa nižší odpor pri zapnutí ako kremíkové MOSFETy, čo vedie k vyššej účinnosti vo všetkých aplikáciách spínaného napájania (konštrukcie SMPS).

Zariadenia SiC vyžadujú pohon hradlového napätia 18 až 20 voltov na zapnutie zariadenia s nízkym odporom. Štandardné Si MOSFETy vyžadujú menej ako 10 voltov na bráne, aby sa úplne zapli. Okrem toho zariadenia SiC vyžadujú na prepnutie do vypnutého stavu pohon brány -3 až -5 V. Vďaka vysokému napätiu a vysokému prúdu sú SiC MOSFETy ideálne pre automobilové výkonové obvody.

V mnohých aplikáciách sa IGBT nahrádzajú zariadeniami SiC. SiC zariadenia môžu prepínať pri vyšších frekvenciách, čím sa znižuje veľkosť a náklady na induktory alebo transformátory a zároveň sa zvyšuje účinnosť. SiC navyše zvládne vyššie prúdy ako GaN.

Medzi zariadeniami GaN a SiC, najmä kremíkovými LDMOS MOSFET, superjunction MOSFET a IGBT, existuje konkurencia. V mnohých aplikáciách sa nahrádzajú tranzistormi GaN a SiC.

Aby sme zhrnuli porovnanie GaN vs. SiC, tu sú najdôležitejšie:

GaN sa prepína rýchlejšie ako Si.

SiC pracuje pri vyšších napätiach ako GaN.

SiC vyžaduje vysoké napätie hradla.

Mnoho výkonových obvodov a zariadení je možné vylepšiť návrhom s GaN a SiC. Jedným z najväčších prínosov je automobilový elektrický systém. Moderné hybridné a elektrické vozidlá obsahujú zariadenia, ktoré môžu tieto zariadenia využívať. Niektoré z populárnych aplikácií sú OBC, DC-DC meniče, motorové pohony a LiDAR. Obrázok 3 poukazuje na hlavné podsystémy v elektrických vozidlách, ktoré vyžadujú vysokovýkonné spínacie tranzistory.

Obrázok 3.  Palubná nabíjačka WBG (OBC) pre hybridné a elektrické vozidlá. Vstup striedavého prúdu sa usmerní, upraví sa účinník (PFC) a potom sa skonvertuje jednosmerný prúd na jednosmerný prúd

DC-DC menič. Jedná sa o napájací obvod, ktorý premieňa vysoké napätie batérie na nižšie napätie, aby poháňal iné elektrické zariadenia. Dnešné napätie batérie sa pohybuje do 600V alebo 900V. DC-DC konvertor zníži na 48 V alebo 12 V, alebo oboje, pre prevádzku iných elektronických komponentov (obrázok 3). V hybridných elektrických a elektrických vozidlách (HEVEV) je možné DC-DC použiť aj pre vysokonapäťovú zbernicu medzi akumulátorom a meničom.

Palubné nabíjačky (OBC). Zásuvné vozidlá HEVEV a EV obsahujú internú nabíjačku batérií, ktorú možno pripojiť k elektrickej sieti. To umožňuje nabíjanie doma bez potreby externej AC-DC nabíjačky (obrázok 4).

Vodič hlavného hnacieho motora. Hlavný hnací motor je vysokovýkonný striedavý motor, ktorý poháňa kolesá vozidla. Ovládač je invertor, ktorý premieňa napätie batérie na trojfázový striedavý prúd na otáčanie motora.

Obrázok 4. Typický DC-DC menič sa používa na konverziu vysokého napätia batérie na 12 V a/alebo 48 V. IGBT používané vo vysokonapäťových mostoch sa nahrádzajú SiC MOSFET.

Tranzistory GaN a SiC ponúkajú automobilovým elektrotechnickým dizajnérom flexibilitu a jednoduchšie návrhy, ako aj vynikajúci výkon vďaka ich vysokému napätiu, vysokému prúdu a rýchlemu spínaniu.

VeTek Semiconductor je profesionálny čínsky výrobcaPovlak z karbidu tantalu, Povlak z karbidu kremíka, GaN produkty, Špeciálny grafit, Keramika z karbidu kremíkaaIná polovodičová keramika. VeTek Semiconductor sa zaviazal poskytovať pokročilé riešenia pre rôzne náterové produkty pre polovodičový priemysel.

Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com