Mi a különbség a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) alkalmazások között? - VeTek félvezető

SicésGaN"széles sávszélességű félvezetőknek" (WBG) nevezik. Az alkalmazott gyártási folyamatnak köszönhetően a WBG eszközök a következő előnyökkel rendelkeznek:

1. Széles sávszélességű félvezetők

gallium-nitrid (GaN)ésszilícium-karbid (SiC)viszonylag hasonlóak a sávszélesség és a bontási mező tekintetében. A gallium-nitrid sávszélessége 3,2 eV, míg a szilícium-karbid sávszélessége 3,4 eV. Bár ezek az értékek hasonlónak tűnnek, lényegesen magasabbak, mint a szilícium sávszélessége. A szilícium sávszélessége mindössze 1,1 eV, ami háromszor kisebb, mint a gallium-nitridé és a szilícium-karbidé. Ezeknek a vegyületeknek a nagyobb sávszélessége lehetővé teszi, hogy a gallium-nitrid és a szilícium-karbid kényelmesen támogassa a magasabb feszültségű áramköröket, de nem támogatják az alacsony feszültségű áramköröket, például a szilíciumot.

2. Lebontási térerősség

A gallium-nitrid és a szilícium-karbid letörési mezői viszonylag hasonlóak, a gallium-nitrid letörési mezője 3,3 MV/cm, a szilícium-karbidé pedig 3,5 MV/cm. Ezek a lebontási mezők lehetővé teszik, hogy a vegyületek lényegesen jobban kezeljék a magasabb feszültségeket, mint a hagyományos szilícium. A szilícium áttörési mezője 0,3 MV/cm, ami azt jelenti, hogy a GaN és a SiC csaknem tízszer nagyobb feszültség fenntartására képes. Alacsonyabb feszültséget is képesek támogatni lényegesen kisebb eszközök használatával.

3. Nagy elektronmobilitású tranzisztor (HEMT)

A GaN és a SiC közötti legjelentősebb különbség az elektronmobilitásuk, ami azt jelzi, hogy az elektronok milyen gyorsan mozognak a félvezető anyagon. Először is, a szilícium elektronmobilitása 1500 cm^2/Vs. A GaN elektronmobilitása 2000 cm^2/Vs, ami azt jelenti, hogy az elektronok több mint 30%-kal gyorsabban mozognak, mint a szilícium elektronjai. A SiC elektronmobilitása azonban 650 cm^2/Vs, ami azt jelenti, hogy a SiC elektronjai lassabban mozognak, mint a GaN és a Si elektronjai. Ilyen nagy elektronmobilitás mellett a GaN csaknem háromszor alkalmasabb nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz. Az elektronok sokkal gyorsabban mozognak a GaN félvezetőkön, mint a SiC.

4. GaN és SiC hővezető képessége

Egy anyag hővezető képessége az, hogy képes önmagán keresztül hőt átadni. A hővezető képesség közvetlenül befolyásolja az anyag hőmérsékletét, tekintettel arra, hogy milyen környezetben használják. A nagy teljesítményű alkalmazásokban az anyag hatástalansága hőt termel, ami megemeli az anyag hőmérsékletét, és ezt követően megváltoztatja elektromos tulajdonságait. A GaN hővezető képessége 1,3 W/cmK, ami valójában rosszabb, mint a szilíciumoé, amelynek vezetőképessége 1,5 W/cmK. A SiC hővezető képessége azonban 5 W/cmK, így közel háromszor jobb a hőterhelés átvitelében. Ez a tulajdonság a SiC-t rendkívül előnyössé teszi a nagy teljesítményű, magas hőmérsékletű alkalmazásokban.

5. Félvezető lapka gyártási folyamata

A jelenlegi gyártási eljárások korlátozó tényezőt jelentenek a GaN és a SiC esetében, mivel drágábbak, kevésbé pontosak vagy energiaigényesebbek, mint a széles körben elfogadott szilíciumgyártási eljárások. Például a GaN kis területen nagyszámú kristályhibát tartalmaz. A szilícium viszont négyzetcentiméterenként csak 100 hibát tartalmazhat. Nyilvánvaló, hogy ez a hatalmas hibaarány a GaN-t hatástalanná teszi. Míg a gyártók nagyot léptek előre az elmúlt években, a GaN még mindig küzd a szigorú félvezető tervezési követelmények teljesítésével.

6. Power Semiconductor Market

A szilíciummal összehasonlítva a jelenlegi gyártási technológia korlátozza a gallium-nitrid és a szilícium-karbid költséghatékonyságát, rövid távon mindkét nagy teljesítményű anyagot megdrágítja. Mindazonáltal mindkét anyag jelentős előnyökkel rendelkezik bizonyos félvezető alkalmazásokban.

A szilícium-karbid rövid távon hatékonyabb termék lehet, mert könnyebben lehet nagyobb és egyenletesebb SiC lapokat gyártani, mint a gallium-nitridből. Idővel a gallium-nitrid megtalálja a helyét a kisméretű, nagyfrekvenciás termékekben, mivel nagyobb elektronmobilitása van. A szilícium-karbid kívánatosabb lesz a nagyobb teljesítményű termékekben, mivel teljesítménye nagyobb, mint a gallium-nitrid hővezető képessége.

Gallium-nitrid and szilícium-karbid eszközök versenyeznek a szilícium félvezető (LDMOS) MOSFET-ekkel és a szuperjunkciós MOSFET-ekkel. A GaN és a SiC eszközök bizonyos tekintetben hasonlóak, de vannak jelentős különbségek is.

1. ábra: A nagyfeszültség, a nagy áramerősség, a kapcsolási frekvencia és a főbb alkalmazási területek kapcsolata.

Széles sávszélességű félvezetők

A WBG összetett félvezetők nagyobb elektronmobilitást és nagyobb sávszélességű energiát mutatnak, ami a szilíciumhoz képest jobb tulajdonságokat jelent. A WBG összetett félvezetőkből készült tranzisztorok nagyobb áttörési feszültséggel és magas hőmérséklettűréssel rendelkeznek. Ezek az eszközök a szilíciummal szemben előnyöket kínálnak a nagyfeszültségű és nagy teljesítményű alkalmazásokban.

2. ábra: A kétfejes, kettős FET kaszkád áramkör a GaN tranzisztort normál kikapcsolt eszközzé alakítja, lehetővé téve a szabványos bővítési módot a nagy teljesítményű kapcsolóáramkörökben

A WBG tranzisztorok gyorsabban kapcsolnak, mint a szilícium, és magasabb frekvencián is működhetnek. Az alacsonyabb „bekapcsolt” ellenállás azt jelenti, hogy kevesebb energiát oszlatnak el, javítva az energiahatékonyságot. A jellemzőknek ez az egyedülálló kombinációja vonzóvá teszi ezeket az eszközöket az autóipari alkalmazások legigényesebb áramkörei számára, különösen a hibrid és elektromos járművek számára.

GaN és SiC tranzisztorok, hogy megfeleljenek az autóipari elektromos berendezések kihívásainak

A GaN és SiC eszközök fő előnyei: Nagyfeszültségű képesség 650 V, 900 V és 1200 V eszközökkel,

Szilícium-karbid:

Magasabb 1700V.3300V és 6500V.

Gyorsabb kapcsolási sebesség,

Magasabb üzemi hőmérséklet.

Alacsonyabb ellenállás, minimális teljesítményveszteség és nagyobb energiahatékonyság.

GaN eszközök

A kapcsolási alkalmazásokban előnyben részesítik az erősítő üzemmódú (vagy E-módú) eszközöket, amelyek általában „ki vannak kapcsolva”, ami az E-módú GaN eszközök kifejlesztéséhez vezetett. Először két FET-eszköz kaszkádja következett (2. ábra). Most már szabványos e-módú GaN eszközök állnak rendelkezésre. Akár 10 MHz-es frekvencián és akár több tíz kilowatt teljesítményszinten is kapcsolhatnak.

A GaN eszközöket széles körben használják vezeték nélküli berendezésekben teljesítményerősítőkként 100 GHz-ig terjedő frekvencián. Néhány fő felhasználási eset a cellás bázisállomások teljesítményerősítői, katonai radarok, műholdas adók és általános RF-erősítők. A magas feszültség (akár 1000 V), a magas hőmérséklet és a gyors kapcsolás miatt azonban különféle kapcsolóerő-alkalmazásokba is beépíthetők, például DC-DC átalakítókba, inverterekbe és akkumulátortöltőkbe.

Sic eszközök

A SiC tranzisztorok természetes E-módú MOSFET-ek. Ezek az eszközök akár 1 MHz-es frekvencián, valamint a szilícium MOSFET-eknél jóval magasabb feszültség- és áramszinten is képesek kapcsolni. A lefolyóforrás maximális feszültsége körülbelül 1800 V, az áramerősség pedig 100 amper. Ezen túlmenően, a SiC eszközök sokkal kisebb bekapcsolási ellenállással rendelkeznek, mint a szilícium MOSFET-ek, ami nagyobb hatékonyságot eredményez az összes kapcsolóüzemű tápegység alkalmazásában (SMPS kivitel).

A SiC-eszközök 18–20 voltos kapufeszültség-meghajtót igényelnek az eszköz alacsony bekapcsolási ellenállású bekapcsolásához. A szabványos Si MOSFET-eknek kevesebb, mint 10 voltra van szükségük a kapunál a teljes bekapcsoláshoz. Ezenkívül a SiC eszközöknek -3 és -5 V közötti kapumeghajtóra van szükségük ahhoz, hogy kikapcsolt állapotba kapcsoljanak. A SiC MOSFET-ek nagyfeszültségű és nagyáramú képességei ideálissá teszik őket autóipari áramkörökhöz.

Sok alkalmazásban az IGBT-ket SiC eszközök váltják fel. A SiC eszközök magasabb frekvencián kapcsolhatnak, csökkentve az induktorok vagy transzformátorok méretét és költségét, miközben javítják a hatékonyságot. Ezenkívül a SiC nagyobb áramerősséget is képes kezelni, mint a GaN.

Verseny van a GaN és a SiC eszközök között, különösen a szilícium LDMOS MOSFET-ek, a szuperjunkciós MOSFET-ek és az IGBT-k között. Sok alkalmazásban ezeket GaN és SiC tranzisztorok váltják fel.

A GaN vs. SiC összehasonlítás összefoglalása érdekében a következőkben kiemeljük:

A GaN gyorsabban kapcsol, mint a Si.

A SiC magasabb feszültségen működik, mint a GaN.

A SiC magas kapumeghajtó feszültséget igényel.

Sok tápáramkör és eszköz javítható GaN és SiC tervezéssel. Az egyik legnagyobb haszonélvező az autóelektromos rendszer. A modern hibrid és elektromos járművek olyan eszközöket tartalmaznak, amelyek képesek ezeket az eszközöket használni. Néhány népszerű alkalmazás az OBC-k, DC-DC átalakítók, motoros meghajtók és LiDAR. A 3. ábra rámutat az elektromos járművek fő alrendszereire, amelyek nagy teljesítményű kapcsolótranzisztorokat igényelnek.

3. ábra: WBG beépített töltő (OBC) hibrid és elektromos járművekhez. Az AC bemenetet egyenirányítják, teljesítménytényezőt korrigálnak (PFC), majd DC-DC átalakítják

DC-DC átalakító. Ez egy olyan áramkör, amely a magas akkumulátorfeszültséget alacsonyabb feszültséggé alakítja át más elektromos eszközök működtetéséhez. A mai akkumulátor feszültség 600 V-ig vagy 900 V-ig terjed. A DC-DC átalakító 48V-ra vagy 12V-ra, vagy mindkettőre csökkenti, más elektronikus alkatrészek működéséhez (3. ábra). A hibrid elektromos és elektromos járművekben (HEVEV) a DC-DC az akkumulátorcsomag és az inverter közötti nagyfeszültségű buszhoz is használható.

Beépített töltők (OBC-k). A dugaszolható HEVEV-k és EV-k belső akkumulátortöltőt tartalmaznak, amely váltóáramú hálózathoz csatlakoztatható. Ez lehetővé teszi az otthoni töltést anélkül, hogy külső AC-DC töltőre lenne szüksége (4. ábra).

Fő meghajtó motor meghajtó. A fő hajtómotor egy nagy teljesítményű váltakozó áramú motor, amely meghajtja a jármű kerekeit. A meghajtó egy inverter, amely az akkumulátor feszültségét háromfázisú váltakozó árammá alakítja a motor forgatásához.

4. ábra: Egy tipikus DC-DC átalakítót használnak a nagy akkumulátorfeszültségek 12 V-ra és/vagy 48 V-ra történő átalakítására. A nagyfeszültségű hidakban használt IGBT-ket SiC MOSFET-ekre cserélik.

A GaN és SiC tranzisztorok rugalmasságot és egyszerűbb kialakítást, valamint kiváló teljesítményt kínálnak az autóelektromos tervezőknek a nagy feszültségnek, nagy áramerősségnek és gyors kapcsolási jellemzőiknek köszönhetően.

A VeTek Semiconductor egy professzionális kínai gyártóTantál-karbid bevonat, Szilícium-karbid bevonat, GaN termékek, Speciális grafit, Szilícium-karbid kerámiaésEgyéb félvezető kerámia. A VeTek Semiconductor elkötelezett amellett, hogy fejlett megoldásokat kínáljon a félvezetőipar különböző bevonattermékeihez.

Ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, kérjük, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com