Care este diferența dintre carbura de siliciu (SIC) și aplicațiile de nitrură de galiu (GAN)? - Vetek Semiconductor

SicşiAmbelesunt denumite „semiconductori cu bandă largă” (WBG). Datorită procesului de producție utilizat, dispozitivele WBG prezintă următoarele avantaje:

1. Semiconductori de bandă largă

Nitrură de galiu (GaN)şicarbură de siliciu (sic)sunt relativ similare în ceea ce privește bandgap și câmpul de defalcare. Bandgapul de nitrură de galiu este de 3,2 eV, în timp ce banda de carbură de siliciu este de 3,4 eV. Deși aceste valori par similare, ele sunt semnificativ mai mari decât banda de siliciu. Bandgapul de siliciu este de doar 1,1 eV, care este de trei ori mai mic decât cel al nitrurii de galiu și carburii de siliciu. Benzile mai mari ale acestor compuși permit nitrura de galiu și carbura de siliciu pentru a sprijini confortabil circuitele de tensiune mai mari, dar nu pot suporta circuite de joasă tensiune precum siliconul.

2. Forța câmpului de defalcare

Câmpurile de degradare ale nitrurii de galiu și ale carburii de siliciu sunt relativ similare, nitrura de galiu având un câmp de degradare de 3,3 MV/cm și carbura de siliciu având un câmp de degradare de 3,5 MV/cm. Aceste câmpuri de defalcare permit compușilor să gestioneze tensiuni mai mari semnificativ mai bine decât siliciul obișnuit. Siliciul are un câmp de defalcare de 0,3 MV/cm, ceea ce înseamnă că GaN și SiC sunt de aproape zece ori mai capabile să susțină tensiuni mai mari. De asemenea, sunt capabili să suporte tensiuni mai mici folosind dispozitive semnificativ mai mici.

3. Tranzistor de mare mobilitate a electronilor (HEMT)

Cea mai semnificativă diferență între GAN și SIC este mobilitatea lor cu electroni, ceea ce indică modul în care electronii rapide se deplasează prin materialul semiconductor. În primul rând, siliconul are o mobilitate electronică de 1500 cm^2/vs. Gan are o mobilitate electronică de 2000 cm^2/vs, ceea ce înseamnă că electronii se mișcă cu mai mult de 30% mai repede decât electronii siliciului. Cu toate acestea, SIC are o mobilitate electronică de 650 cm^2/vs, ceea ce înseamnă că electronii SIC se mișcă mai lent decât electronii lui Gan și Si. Cu o mobilitate atât de mare de electroni, GAN este de aproape trei ori mai capabili pentru aplicații de înaltă frecvență. Electronii se pot deplasa prin semiconductori GAN mult mai repede decât SIC.

4. Conductibilitatea termică a GaN și Sic

Conductivitatea termică a unui material este capacitatea sa de a transfera căldura prin sine. Conductivitatea termică afectează în mod direct temperatura unui material, având în vedere mediul în care este utilizat. În aplicații de mare putere, ineficiența materialului generează căldură, ceea ce crește temperatura materialului și, ulterior, își schimbă proprietățile electrice. GAN are o conductivitate termică de 1,3 W/CMK, care este de fapt mai rea decât cea a siliciului, care are o conductivitate de 1,5 W/CMK. Cu toate acestea, SIC are o conductivitate termică de 5 W/CMK, ceea ce face de aproape trei ori mai bună la transferul încărcăturilor de căldură. Această proprietate face SIC extrem de avantajoasă în aplicații de mare putere, la temperaturi ridicate.

5. Procesul de fabricație a wafer -ului cu semiconductor

Procesele actuale de fabricație sunt un factor limitativ pentru GAN și SIC, deoarece sunt mai scumpe, mai puțin precise sau mai intensiv în energie decât procesele de fabricație siliciu adoptate pe scară largă. De exemplu, GAN conține un număr mare de defecte de cristal pe o zonă mică. Siliconul, pe de altă parte, poate conține doar 100 de defecte pe centimetru pătrat. Evident, această rată uriașă de defecte face ca GAN să fie ineficient. În timp ce producătorii au făcut pași mari în ultimii ani, Gan încă se luptă să îndeplinească cerințele stricte de proiectare a semiconductorilor.

6. Piața semiconductorilor de putere

În comparație cu siliciul, tehnologia de fabricație actuală limitează rentabilitatea de nitrură de galiu și carbură de siliciu, ceea ce face ca ambele materiale de mare putere să fie mai scumpe pe termen scurt. Cu toate acestea, ambele materiale au avantaje puternice în aplicațiile specifice cu semiconductor.

Carbura de siliciu poate fi un produs mai eficient pe termen scurt, deoarece este mai ușor să se producă plachete de SiC mai mari și mai uniforme decât nitrura de galiu. De-a lungul timpului, nitrura de galiu își va găsi locul în produse mici, de înaltă frecvență, având în vedere mobilitatea mai mare a electronilor. Carbura de siliciu va fi mai de dorit în produsele cu putere mai mare, deoarece capacitățile sale de putere sunt mai mari decât conductivitatea termică a nitrurii de galiu.

Nitru de galiu and Dispozitivele cu carbură de siliciu concurează cu MOSFET-urile cu semiconductor de siliciu (LDMOS) și MOSFET-urile cu suprajuncție. Dispozitivele GaN și SiC sunt similare în anumite privințe, dar există și diferențe semnificative.

Figura 1. Relația dintre tensiunea înaltă, curentul ridicat, frecvența de comutare și zonele majore de aplicare.

Semiconductori cu bandă largă

Semiconductorii compuși WBG au o mobilitate mai mare a electronilor și o energie bandgap mai mare, ceea ce se traduce prin proprietăți superioare față de siliciu. Tranzistoarele fabricate din semiconductori compusi WBG au tensiuni de defalcare mai mari si toleranta la temperaturi ridicate. Aceste dispozitive oferă avantaje față de siliciu în aplicații de înaltă tensiune și de mare putere.

Figura 2. Un circuit în cascadă dual-die dual-FET transformă un tranzistor GaN într-un dispozitiv normal oprit, permițând funcționarea în mod standard de îmbunătățire în circuite de comutare de mare putere

De asemenea, tranzistoarele WBG se schimbă mai repede decât siliciul și pot funcționa la frecvențe mai mari. Rezistența mai scăzută „pornită” înseamnă că acestea disipează mai puțină putere, îmbunătățind eficiența energetică. Această combinație unică de caracteristici face ca aceste dispozitive să fie atractive pentru unele dintre cele mai solicitante circuite din aplicațiile auto, în special vehiculele hibride și electrice.

Tranzistoare GaN și SiC pentru a face față provocărilor din echipamentele electrice auto

Beneficiile cheie ale dispozitivelor GAN și SIC: capacitate de înaltă tensiune, cu dispozitive 650 V, 900 V și 1200 V,

Carbură de siliciu:

Mai mare 1700V.3300V și 6500V.

Viteze de comutare mai mari,

Temperaturi de funcționare mai mari.

Mai scăzut la rezistență, la disiparea puterii minime și la o eficiență energetică mai mare.

Dispozitive gan

În ceea ce privește comutarea aplicațiilor, sunt preferate dispozitive în modul de îmbunătățire (sau în modul E), care sunt de obicei „dezactivate”, ceea ce a dus la dezvoltarea dispozitivelor GAN în modul E. Mai întâi a venit cascada a două dispozitive FET (figura 2). Acum, sunt disponibile dispozitive GAN standard în modul E. Acestea pot trece la frecvențe de până la 10 MHz și niveluri de putere până la zeci de kilowati.

Dispozitivele GAN sunt utilizate pe scară largă în echipamentele wireless ca amplificatoare de energie la frecvențe de până la 100 GHz. Unele dintre principalele cazuri de utilizare sunt amplificatoarele de putere ale stației de bază celulară, radarele militare, emițătorii de satelit și amplificarea generală a RF. Cu toate acestea, din cauza tensiunii de înaltă tensiune (până la 1.000 V), la temperaturi ridicate și la comutarea rapidă, acestea sunt, de asemenea, încorporate în diferite aplicații de comutare, cum ar fi convertoarele DC-DC, invertoarele și încărcătoarele de baterii.

Dispozitive Sic

Tranzistoarele SiC sunt MOSFET-uri naturale în modul E. Aceste dispozitive pot comuta la frecvențe de până la 1 MHz și la niveluri de tensiune și curent mult mai mari decât MOSFET-urile din siliciu. Tensiunea maximă a sursei de scurgere este de până la aproximativ 1.800 V, iar capacitatea de curent este de 100 de amperi. În plus, dispozitivele SiC au o rezistență la pornire mult mai mică decât MOSFET-urile cu siliciu, rezultând o eficiență mai mare în toate aplicațiile de alimentare cu comutație (design SMPS).

Dispozitivele SiC necesită o unitate de tensiune de poartă de 18 până la 20 de volți pentru a porni dispozitivul cu rezistență scăzută. MOSFET-urile standard Si necesită mai puțin de 10 volți la poartă pentru a porni complet. În plus, dispozitivele SiC necesită o unitate de poartă de la -3 la -5 V pentru a comuta în starea oprită. Capacitățile de înaltă tensiune și curent ridicat ale MOSFET-urilor SiC le fac ideale pentru circuitele de alimentare ale autovehiculelor.

În multe aplicații, IGBT -urile sunt înlocuite cu dispozitivele SIC. Dispozitivele SIC pot comuta la frecvențe mai mari, reducând dimensiunea și costul inductorilor sau transformatorilor, îmbunătățind în același timp eficiența. În plus, SIC poate gestiona curenți mai mari decât GAN.

Există concurență între dispozitivele GaN și SiC, în special MOSFET-urile LDMOS cu siliciu, MOSFET-urile cu suprajuncție și IGBT-urile. În multe aplicații, acestea sunt înlocuite cu tranzistoare GaN și SiC.

Pentru a rezuma comparația GAN vs. SIC, iată cele mai importante momente:

Ambele comută mai repede decât Si.

Sic funcționează la tensiuni mai mari decât GaN.

SIC necesită tensiuni de acționare a porții înalte.

Multe circuite și dispozitive de alimentare pot fi îmbunătățite prin proiectarea cu GaN și SiC. Unul dintre cei mai mari beneficiari este sistemul electric auto. Vehiculele moderne hibride și electrice conțin dispozitive care pot folosi aceste dispozitive. Unele dintre aplicațiile populare sunt OBC, convertoare DC-DC, motor drive și LiDAR. Figura 3 evidențiază principalele subsisteme din vehiculele electrice care necesită tranzistoare de comutare de mare putere.

Figura 3. Încărcătorul de bord WBG (OBC) pentru vehicule hibride și electrice. Intrarea AC este rectificată, factorul de putere corectat (PFC) și apoi convertit DC-DC

Convertor DC-DC. Acesta este un circuit de alimentare care convertește tensiunea mare a bateriei într-o tensiune mai mică pentru a rula alte dispozitive electrice. Tensiunea actuală a bateriei este de până la 600V sau 900V. Convertorul DC-DC o reduce la 48V sau 12V, sau ambele, pentru funcționarea altor componente electronice (Figura 3). În vehiculele hibride electrice și electrice (HEVEV), DC-DC poate fi utilizat și pentru magistrala de înaltă tensiune dintre acumulator și invertor.

Încărcătoare de bord (OBC). HEVEV-urile și EV-urile plug-in conțin un încărcător intern de baterii care poate fi conectat la o alimentare cu rețea de curent alternativ. Acest lucru permite încărcarea acasă, fără a fi nevoie de un încărcător ex -DC extern (figura 4).

Driverul motorului principal de antrenare. Principalul motor de antrenare este un motor de curent alternativ care conduce roțile vehiculului. Driverul este un invertor care transformă tensiunea bateriei în AC din trifazare pentru a întoarce motorul.

Figura 4. Un convertor tipic DC-DC este utilizat pentru a converti tensiuni mari de baterie în 12 V și/sau 48 V. IGBT-uri utilizate la podurile de înaltă tensiune sunt înlocuite de SIC MOSFETS.

Tranzistoarele GAN și SIC oferă flexibilitatea proiectantilor electrici auto și design -uri mai simple, precum și performanțe superioare datorită caracteristicilor lor de înaltă tensiune, curent ridicat și comutare rapidă.

Vetek Semiconductor este un producător profesionist chinez deAcoperire cu carbură de tantalum, Acoperire cu carbură de siliciu, Produse gan, Grafit special, Ceramica din carbură de siliciuşiAlte ceramice semiconductoare. VeTek Semiconductor se angajează să furnizeze soluții avansate pentru diverse produse de acoperire pentru industria semiconductoarelor.

Dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, nu ezitați să luați legătura cu noi.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com