Яка різниця між використанням карбіду кремнію (SiC) і нітриду галію (GaN)? - VeTek Semiconductor

SICіОбидваназиваються "широкозонними напівпровідниками" (WBG). Завдяки використовуваному виробничому процесу пристрої WBG демонструють наступні переваги:

1. Широкі напівпровідники

Нітрид галію (GAN)ікарбід кремнію (SiC)є відносно подібними щодо ширини забороненої зони та поля пробою. Ширина забороненої зони нітриду галію становить 3,2 еВ, тоді як ширина забороненої зони карбіду кремнію становить 3,4 еВ. Хоча ці значення здаються схожими, вони значно вищі, ніж ширина забороненої зони кремнію. Ширина забороненої зони кремнію становить лише 1,1 еВ, що втричі менше, ніж у нітриду галію та карбіду кремнію. Велика ширина забороненої зони цих сполук дозволяє нітриду галію та карбіду кремнію комфортно підтримувати схеми високої напруги, але вони не можуть підтримувати схеми низької напруги, як кремній.

2. Сила поля поломки

Поля пробою нітриду галію та карбіду кремнію відносно подібні, причому нітрид галію має поле пробою 3,3 МВ/см, а карбід кремнію — 3,5 МВ/см. Ці поля пробою дозволяють сполукам справлятися з вищими напругами значно краще, ніж звичайний кремній. Силіцій має поле пробою 0,3 МВ/см, що означає, що GaN і SiC майже в десять разів більш здатні витримувати вищі напруги. Вони також здатні підтримувати нижчі напруги, використовуючи значно менші пристрої.

3. Транзистор з високою мобільністю електронів (HEMT)

Найсуттєвішою відмінністю між GaN і SiC є їхня рухливість електронів, яка вказує на швидкість руху електронів через напівпровідниковий матеріал. По-перше, кремній має рухливість електронів 1500 см^2/Вс. GaN має рухливість електронів 2000 см^2/Вс, що означає, що електрони рухаються більш ніж на 30% швидше, ніж електрони кремнію. Проте рухливість електронів SiC становить 650 см^2/Вс, що означає, що електрони SiC рухаються повільніше, ніж електрони GaN і Si. Завдяки такій високій рухливості електронів GaN майже втричі більше підходить для високочастотних застосувань. Електрони можуть рухатися через напівпровідники GaN набагато швидше, ніж SiC.

4. Теплопровідність GaN і SIC

Теплопровідність матеріалу - це його здатність передавати тепло через себе. Теплопровідність безпосередньо впливає на температуру матеріалу, враховуючи середовище, в якому вона використовується. У застосуванні з високою потужністю неефективність матеріалу генерує тепло, що підвищує температуру матеріалу і згодом змінює його електричні властивості. GAN має теплопровідність 1,3 Вт/СМК, що насправді гірше, ніж у кремнію, який має провідність 1,5 Вт/СМК. Однак SIC має теплопровідність 5 Вт/СМК, що робить його майже втричі кращим при передачі теплових навантажень. Ця властивість робить SIC дуже вигідною у високомобільних, високотемпературних додатках.

5. Процес виробництва напівпровідників

Сучасні виробничі процеси є обмежуючим фактором для GaN і SiC, оскільки вони дорожчі, менш точні або більш енергоємні, ніж широко поширені процеси виробництва кремнію. Наприклад, GaN містить велику кількість кристалічних дефектів на невеликій площі. Кремній, з іншого боку, може містити лише 100 дефектів на квадратний сантиметр. Очевидно, що така величезна кількість дефектів робить GaN неефективним. Незважаючи на те, що виробники досягли великих успіхів за останні роки, GaN все ще намагається задовольнити суворі вимоги до дизайну напівпровідників.

6. Ринок силового напівпровідника

Порівняно з кремнію, сучасна технологія виробництва обмежує економічну ефективність нітриду галію та карбід кремнію, що робить обидві потужні матеріали дорожчими в короткостроковій перспективі. Однак обидва матеріали мають сильні переваги в конкретних напівпровідникових програмах.

Карбід кремнію може бути більш ефективним продуктом у короткостроковій перспективі, оскільки легше виготовляти більші та більш однорідні пластини SiC, ніж нітрид галію. З часом нітрид галію знайде своє місце в невеликих високочастотних виробах, враховуючи його вищу мобільність електронів. Карбід кремнію буде більш бажаним у продуктах більшої потужності, оскільки його енергетичні можливості вищі, ніж теплопровідність нітриду галію.

Галію нітридПристрої з карбіду кремнію конкурують з МОП-транзисторами з кремнієвим напівпровідником (LDMOS) і МОП-транзисторами з суперпереходом. Пристрої GaN і SiC схожі в чомусь, але є й значні відмінності.

Малюнок 1. Зв'язок між високою напругою, високим струмом, частотою перемикання та основними областями застосування.

Широкі напівпровідники

Напівпровідники сполуки WBG мають більш високу рухливість електронів та більш високу енергію пропускної смуги, що перетворюється на вищі властивості над кремнієм. Транзистори, виготовлені з напівпровідників сполуки WBG, мають більш високі напруги зриву та толерантність до високих температур. Ці пристрої пропонують переваги перед кремнієм у високостільних та потужних додатках.

Малюнок 2. Каскадний ланцюг з двома шаленими каскадами перетворює транзистор GAN в нормально вимкнений пристрій, що дозволяє працювати стандартним режимом вдосконалення у потужних комутаційних схемах

Транзистори WBG також перемикаються швидше, ніж кремнієві, і можуть працювати на більш високих частотах. Нижчий опір увімкнення означає, що вони розсіюють менше енергії, покращуючи енергоефективність. Ця унікальна комбінація характеристик робить ці пристрої привабливими для деяких із найвимогливіших схем в автомобільних додатках, особливо гібридних та електричних транспортних засобів.

Обидва і SiC транзистори для вирішення проблем в автомобільному електрообладнанні

Ключові переваги пристроїв GaN і SiC: Можливість високої напруги з пристроями 650 В, 900 В і 1200 В,

Карбід кремнію:

Вища 1700В.3300В і 6500В.

Швидше перемикання,

Більш високі робочі температури.

Знизити опір, мінімальну розсіювання потужності та більш високу енергоефективність.

Пристрої Обидва

У комутаційних програмах перевагу надають пристроям у режимі покращення (або E-mode), які зазвичай «вимкнені», що призвело до розробки пристроїв E-mode GaN. Спочатку з'явився каскад з двох пристроїв на польових транзисторах (рис. 2). Тепер доступні стандартні пристрої GaN електронного режиму. Вони можуть перемикатися на частотах до 10 МГц і рівнях потужності до десятків кіловат.

Обидва пристрої широко використовуються в бездротовому обладнанні як підсилювачі потужності на частотах до 100 ГГц. Деякі з основних випадків використання – підсилювачі потужності базових станцій стільникового зв’язку, військові радари, супутникові передавачі та загальне підсилення радіочастот. Однак через високу напругу (до 1000 В), високу температуру та швидке перемикання вони також включені в різні комутаційні програми живлення, такі як перетворювачі постійного струму, інвертори та зарядні пристрої для акумуляторів.

SIC пристрої

SIC транзистори-це природний електронний режим MOSFET. Ці пристрої можуть перемикатися на частотах до 1 МГц, а на рівні напруги та струму набагато вище, ніж кремнієві мосфети. Максимальна напруга зливного джерела становить приблизно 1800 В, а можливість струму-100 ампер. Крім того, пристрої SIC мають значно нижчу резистентність, ніж кремнієві MOSFET, що призводить до підвищення ефективності у всіх програмах джерела живлення (конструкції SMP).

Пристрої SIC потребують приводу напруги від 18 до 20 вольт, щоб увімкнути пристрій з низькою стійкістю. Стандартні Si Mosfets потребують менше 10 вольт біля воріт, щоб повністю увімкнутись. Крім того, пристрої SIC потребують приводу від -3 до -5 В, щоб перейти на стан OFF. Високі напруги, високі поточні можливості SIC MOSFET роблять їх ідеальними для автомобільних силових ланцюгів.

У багатьох програмах IGBT замінюються пристроями SIC. Пристрої SIC можуть перемикатися на більш високих частотах, зменшуючи розмір та вартість індукторів або трансформаторів, підвищуючи ефективність. Крім того, SIC може впоратися з більш високими струмами, ніж Ган.

Існує конкуренція між пристроями GaN і SiC, особливо кремнієвими LDMOS MOSFET, суперперехідними MOSFET і IGBT. У багатьох додатках їх замінюють транзисторами GaN і SiC.

Щоб підсумувати порівняння GaN і SiC, ось основні моменти:

Обидва перемикається швидше, ніж Si.

SIC працює при більш високих напругах, ніж Ган.

SIC вимагає високих напруг приводу воріт.

Багато силових ланцюгів і пристроїв можна вдосконалити, проектуючи з GaN і SiC. Одним із найбільших бенефіціарів є автомобільна електрична система. Сучасні гібридні та електромобілі містять пристрої, які можуть використовувати ці пристрої. Деякі з популярних застосувань - це OBC, перетворювачі постійного струму в постійний, моторні приводи та LiDAR. На рисунку 3 показано основні підсистеми електромобілів, які потребують перемикаючих транзисторів великої потужності.

Малюнок 3. Вбудований зарядний пристрій WBG (OBC) для гібридних та електромобілів. Вхід змінного струму випрямляється, коефіцієнт потужності коригується (PFC), а потім перетворюється DC-DC

Перетворювач постійного струму DC. Це схема живлення, яка перетворює високу напругу акумулятора на нижчу напругу для роботи інших електричних пристроїв. Сучасна напруга батареї досягає 600 або 900 В. Перетворювач DC-DC знижує напругу до 48 В або 12 В, або до обох для роботи інших електронних компонентів (рис. 3). У гібридних електричних і електричних автомобілях (HEVEV) DC-DC також може використовуватися для високовольтної шини між акумуляторною батареєю та інвертором.

Бортові зарядні пристрої (OBC). Plug-in Hevevs та EVS містять внутрішній зарядний пристрій акумулятора, який може бути підключений до мережі змінного струму. Це дозволяє заряджати вдома без необхідності зовнішнього зарядного пристрою AC -DC (мал. 4).

Драйвер двигуна головного приводу. Головний рушійний двигун — це двигун змінного струму високої потужності, який приводить в рух колеса автомобіля. Драйвер — це інвертор, який перетворює напругу батареї в трифазний змінний струм для обертання двигуна.

Рисунок 4. Типовий перетворювач DC-DC використовується для перетворення високої напруги батареї на 12 В та/або 48 В. IGBT, що використовуються у високовольтних мостах, замінюють SiC MOSFET.

Транзистори GaN і SiC пропонують розробникам автомобільної електрики гнучкість і прості конструкції, а також чудову продуктивність завдяки їх високій напрузі, високому струму та характеристикам швидкого перемикання.

Vetek Semiconductor - професійний китайський виробникПокриття з карбіду танталу, Покриття з карбіду кремнію, Продукти Обидва, Спеціальний графіт, Кераміка кремніюіІнші напівпровідникові кераміки. Vetek Semiconductor прагне надати передові рішення для різних продуктів покриття для напівпровідникової галузі.

Якщо у вас є якісь запити або потрібні додаткові деталі, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

Електронна пошта: anny@veteksemi.com