Jaka jest różnica między zastosowaniami węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN)? - Półprzewodnik VeTek

SicIObydwasą określane jako „szerokie półprzewodniki” (WBG). Ze względu na zastosowany proces produkcyjny urządzenia WBG pokazują następujące zalety:

1. Szerokie półprzewodniki Bandgap

Azotek gali (GAN)Iwęglik krzemu (SiC)są stosunkowo podobne pod względem pasma wzbronionego i pola awarii. Pasmo wzbronione azotku galu wynosi 3,2 eV, podczas gdy pasmo wzbronione węglika krzemu wynosi 3,4 eV. Chociaż wartości te wydają się podobne, są znacznie wyższe niż pasmo wzbronione krzemu. Pasmo wzbronione krzemu wynosi tylko 1,1 eV, czyli jest trzy razy mniejsze niż w przypadku azotku galu i węglika krzemu. Wyższe pasma wzbronione tych związków pozwalają azotkowi galu i węglikowi krzemu wygodnie obsługiwać obwody o wyższym napięciu, ale nie mogą obsługiwać obwodów niskiego napięcia, takich jak krzem.

2. Siła pola rozpadu

Pola przebicia azotku galu i węglika krzemu są stosunkowo podobne, przy czym azotek galu ma pole przebicia 3,3 MV/cm, a węglik krzemu ma pole przebicia 3,5 MV/cm. Dzięki tym polom przebicia związki radzą sobie z wyższymi napięciami znacznie lepiej niż zwykły krzem. Krzem ma pole przebicia wynoszące 0,3 MV/cm, co oznacza, że ​​GaN i SiC są prawie dziesięciokrotnie bardziej zdolne do wytrzymywania wyższych napięć. Są również w stanie obsługiwać niższe napięcia przy użyciu znacznie mniejszych urządzeń.

3. Tranzystor mobilności wysokiej elektronów (HEMT)

Najbardziej znaczącą różnicą między GaN i SiC jest ich ruchliwość elektronów, która wskazuje, jak szybko elektrony przemieszczają się przez materiał półprzewodnikowy. Po pierwsze, krzem ma ruchliwość elektronów wynoszącą 1500 cm^2/Vs. GaN ma ruchliwość elektronów wynoszącą 2000 cm^2/Vs, co oznacza, że ​​elektrony poruszają się o ponad 30% szybciej niż elektrony krzemu. Jednakże SiC ma ruchliwość elektronów wynoszącą 650 cm^2/Vs, co oznacza, że ​​elektrony SiC poruszają się wolniej niż elektrony GaN i Si. Przy tak wysokiej ruchliwości elektronów GaN ma prawie trzykrotnie większe możliwości w zastosowaniach wymagających wysokich częstotliwości. Elektrony mogą przemieszczać się przez półprzewodniki GaN znacznie szybciej niż SiC.

4. Przewodność cieplna GaN i Sic

Przewodnictwo cieplne materiału polega na jego zdolności do przenoszenia ciepła przez siebie. Przewodność cieplna bezpośrednio wpływa na temperaturę materiału, biorąc pod uwagę środowisko, w którym jest używany. W zastosowaniach o dużej mocy nieefektywność materiału generuje ciepło, co podnosi temperaturę materiału, a następnie zmienia jego właściwości elektryczne. Gan ma przewodność cieplną 1,3 W/cmk, która jest w rzeczywistości gorsza niż przewodnictwo krzem, który ma przewodność 1,5 W/cmk. Jednak SIC ma przewodność cieplną 5 W/cmk, dzięki czemu jest prawie trzy razy lepsza w przenoszeniu obciążeń cieplnych. Ta właściwość sprawia, że ​​SIC jest bardzo korzystna w zastosowaniach o dużej mocy i wysokiej temperaturze.

5. Proces wytwarzania płytek półprzewodnikowych

Obecne procesy produkcyjne są czynnikiem ograniczającym dla GAN i SIC, ponieważ są droższe, mniej precyzyjne lub bardziej energooszczędne niż powszechnie przyjęte procesy produkcyjne krzemowe. Na przykład Gan zawiera dużą liczbę wad kryształowych na małym obszarze. Z drugiej strony krzem może zawierać tylko 100 wad na centymetr kwadratowy. Oczywiście ten ogromny wskaźnik defektów sprawia, że ​​GAN nie jest nieefektywny. Podczas gdy producenci poczynili wielkie postępy w ostatnich latach, Gan wciąż stara się spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące projektowania półprzewodników.

6. Rynek półprzewodników mocy

W porównaniu z krzemem obecna technologia produkcji ogranicza opłacalność azotku galu i węglika krzemu, powodując, że oba materiały o dużej mocy będą w krótkim okresie droższe. Jednak oba materiały mają duże zalety w określonych zastosowaniach półprzewodników.

Węglenie krzemu może być bardziej skutecznym produktem w krótkim okresie, ponieważ łatwiej jest wytwarzać większe i bardziej jednolite płytki SIC niż azotek galu. Z czasem azotek galu znajdzie swoje miejsce w małych produktach o wysokiej częstotliwości, biorąc pod uwagę jego wyższą mobilność elektronów. Krzem krzemowy będzie bardziej pożądany w większych produktach mocy, ponieważ jego możliwości mocy są wyższe niż przewodność cieplna azotku galu.

Azotek galud Urządzenia z węglika krzemu konkurują z tranzystorami MOSFET z półprzewodnikami krzemowymi (LDMOS) i superzłączami MOSFET. Urządzenia GaN i SiC są pod pewnymi względami podobne, ale istnieją też znaczące różnice.

Ryc. 1. Związek między wysokim napięciem, wysokim prądem, częstotliwością przełączania i głównymi obszarami zastosowania.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej

Półprzewodniki złożone WBG mają wyższą mobilność elektronów i wyższą energię pasma bandgap, co przekłada się na doskonałe właściwości nad krzemionem. Tranzystory wykonane z półprzewodników złożonych WBG mają wyższe napięcia rozpadu i tolerancję na wysokie temperatury. Urządzenia te oferują korzyści w stosunku do krzemu w zastosowaniach o wysokim napięciu i dużej mocy.

Ryc. 2. Obwód kaskadowy z podwójnym DIE, przekształca tranzystor GAN w normalnie wyłączone urządzenie, umożliwiając standardową obsługę w trybie wzmacniającym w obwodach przełączania dużej mocy

Tranzystory WBG przełączają się także szybciej niż krzem i mogą pracować przy wyższych częstotliwościach. Niższy opór „włączenia” oznacza, że ​​rozpraszają mniej energii, co poprawia efektywność energetyczną. To unikalne połączenie cech sprawia, że ​​urządzenia te są atrakcyjne dla najbardziej wymagających obwodów w zastosowaniach motoryzacyjnych, szczególnie w pojazdach hybrydowych i elektrycznych.

Tranzystory GaN i SiC spełniające wyzwania stojące przed elektrycznym sprzętem samochodowym

Kluczowe zalety urządzeń GaN i SiC: Możliwość stosowania wysokich napięć w przypadku urządzeń 650 V, 900 V i 1200 V,

Krzemowy węglik:

Wyższe 1700V.3300V i 6500V.

Większe prędkości przełączania,

Wyższe temperatury robocze.

Niższy opór, minimalne rozpraszanie mocy i wyższa efektywność energetyczna.

Urządzenia Obydwa

W aplikacjach przełączania preferowane są urządzenia w trybie wzmacniającym (lub w trybie E), które są zwykle „wyłączone”, co doprowadziło do opracowania urządzeń GAN w trybie E. Najpierw przyszła kaskada dwóch urządzeń FET (ryc. 2). Teraz dostępne są standardowe urządzenia GAN w trybie elektronicznym. Mogą zmieniać częstotliwości do 10 MHz i poziomy mocy do dziesiątek kilowatów.

Urządzenia GAN są szeroko stosowane w sprzęcie bezprzewodowym jako wzmacniacze zasilania przy częstotliwościach do 100 GHz. Niektóre z głównych przypadków użycia to wzmacniacze mocy stacji bazowej komórkowej, radary wojskowe, nadajniki satelitarne i ogólne wzmocnienie RF. Jednak z powodu wysokiego napięcia (do 1000 V), wysokiej temperatury i szybkiego przełączania są one również włączone do różnych zastosowań zasilania przełączania, takich jak przetworniki DC-DC, falowniki i ładowarki.

Urządzenia Sic

Tranzystory SIC są naturalnymi mosfetami w trybie elektronicznym. Urządzenia te mogą przełączać się na częstotliwościach do 1 MHz oraz na poziomie napięcia i prądu znacznie wyższym niż mosfety krzemu. Maksymalne napięcie źródła drenażu wynosi do około 1800 V, a zdolność prądu wynosi 100 wzmacniaczy. Ponadto urządzenia SIC mają znacznie niższą oporność niż silikonowe MOSFET, co powoduje wyższą wydajność we wszystkich aplikacjach zasilacza przełączającego (projekty SMPS).

Urządzenia SIC wymagają napędu napięcia bramkowego od 18 do 20 woltów, aby włączyć urządzenie z niską opornością. Standardowe MOSFET SI wymagają mniej niż 10 woltów przy bramie, aby w pełni włączyć. Ponadto urządzenia SIC wymagają napędu bramki -3 do -5 V, aby przejść do stanu OFF. Wysokie napięcie, wysokie możliwości prądu MOSFET SIC sprawiają, że idealnie nadają się do obwodów energii samochodowej.

W wielu aplikacjach IGBT są zastępowane przez urządzenia SIC. Urządzenia SIC mogą przełączać się na wyższych częstotliwościach, zmniejszając wielkość i koszt induktorów lub transformatorów przy jednoczesnym poprawie wydajności. Ponadto SIC może poradzić sobie z wyższymi prądami niż GAN.

Istnieje konkurencja między urządzeniami GaN i SiC, zwłaszcza krzemowymi MOSFET-ami LDMOS, MOSFET-ami superzłączowymi i IGBT. W wielu zastosowaniach zastępują je tranzystory GaN i SiC.

Podsumowując porównanie GAN vs. SIC, oto najważniejsze informacje:

Gan przełącza się szybciej niż SI.

SIC działa przy wyższych napięciach niż GAN.

Sic wymaga wysokich napięć sterujących bramką.

Wiele obwodów i urządzeń mocy można ulepszyć, projektując z GaN i SiC. Jednym z największych beneficjentów jest instalacja elektryczna samochodowa. Nowoczesne pojazdy hybrydowe i elektryczne zawierają urządzenia, które mogą z tych urządzeń korzystać. Do popularnych zastosowań należą OBC, przetwornice DC-DC, napędy silnikowe i LiDAR. Rysunek 3 przedstawia główne podsystemy w pojazdach elektrycznych, które wymagają tranzystorów przełączających o dużej mocy.

Rysunek 3. WBG Pokładowa ładowarka (OBC) dla pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Wejście prądu przemiennego jest naprawione, współczynnik mocy skorygowany (PFC), a następnie przekonwertowany DC-DC

Konwerter DC-DC. Jest to obwód zasilania, który przekształca wysokie napięcie akumulatora w niższe napięcie, aby uruchomić inne urządzenia elektryczne. Dzisiejsze napięcie akumulatora waha się do 600 V lub 900 V. Konwerter DC-DC zmniejsza go do 48 V lub 12 V, lub obu, dla działania innych elementów elektronicznych (ryc. 3). W hybrydowych pojazdach elektrycznych i elektrycznych (HEVEV) DC-DC może być również używane do magistrali wysokiego napięcia między pakietem akumulatora a falownikiem.

Ładowarki pokładowe (OBC). HEVEV i EV wtyka zawierają wewnętrzną ładowarkę, którą można podłączyć do zasilania sieciowego. Umożliwia to ładowanie w domu bez potrzeby zewnętrznej ładowarki AC -DC (ryc. 4).

Silnik główny napędowy. Główny silnik napędowy to silnik prądu przemiennego o wysokim wyjściu, który napędza koła pojazdu. Sterownik jest falownikiem, który przekształca napięcie akumulatora na trójfazowy prąd przemienny, aby obrócić silnik.

Rycina 4. Typowy konwerter DC-DC służy do konwersji wysokich napięć akumulatorów na 12 V i/lub 48 V. IGBT stosowane w mostach o wysokim napięciu są zastępowane przez MOSFET SIC.

Tranzystory GaN i SiC oferują projektantom elektryki samochodowej elastyczność i prostsze konstrukcje, a także doskonałą wydajność ze względu na wysokie napięcie, wysoki prąd i szybkie przełączanie.

Vetek Semiconductor jest profesjonalnym chińskim producentemPowłoka z węglikiem tantalu, Powłoka z węglików silikonowych, Produkty Obydwa, Specjalny grafit, Ceramika z węglika krzemuIInne ceramika półprzewodników. Vetek Semiconductor jest zaangażowany w dostarczanie zaawansowanych rozwiązań dla różnych produktów powłokowych dla przemysłu półprzewodnikowego.

Jeśli masz jakieś zapytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com