Каква е разликата между приложенията на силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN)? - VeTek Semiconductor

SiCиGaNсе наричат ​​"широколентови полупроводници" (WBG). Благодарение на използвания производствен процес, WBG устройствата показват следните предимства:

1. Широколентови полупроводници

Галиев нитрид (GaN)исилициев карбид (SiC)са относително сходни по отношение на ширината на лентата и полето на разпадане. Забранената зона на галиев нитрид е 3,2 eV, докато забранената зона на силициевия карбид е 3,4 eV. Въпреки че тези стойности изглеждат подобни, те са значително по-високи от забранената лента на силиций. Забранената зона на силиция е само 1,1 eV, което е три пъти по-малко от това на галиевия нитрид и силициевия карбид. По-високите ширини на лентата на тези съединения позволяват на галиевия нитрид и силициевия карбид да поддържат удобно вериги с по-високо напрежение, но те не могат да поддържат вериги с ниско напрежение като силиций.

2. Сила на пробивното поле

Полетата на разрушаване на галиевия нитрид и силициевия карбид са относително сходни, като галиевият нитрид има поле на разрушаване от 3,3 MV/cm, а силициевият карбид има поле на разрушаване от 3,5 MV/cm. Тези полета на разрушаване позволяват на съединенията да се справят с по-високи напрежения значително по-добре от обикновения силиций. Силицият има поле на пробив от 0,3 MV/cm, което означава, че GaN и SiC са почти десет пъти по-способни да поддържат по-високи напрежения. Те също така могат да поддържат по-ниски напрежения, използвайки значително по-малки устройства.

3. Транзистор с висока подвижност на електрони (HEMT)

Най-съществената разлика между GaN и SiC е тяхната мобилност на електроните, която показва колко бързо се движат електроните през полупроводниковия материал. Първо, силицийът има подвижност на електрони от 1500 cm^2/Vs. GaN има подвижност на електрони от 2000 cm^2/Vs, което означава, че електроните се движат повече от 30% по-бързо от електроните на силиция. SiC обаче има подвижност на електрони от 650 cm^2/Vs, което означава, че електроните на SiC се движат по-бавно от електроните на GaN и Si. С такава висока мобилност на електрони, GaN е почти три пъти по-способен за високочестотни приложения. Електроните могат да се движат през GaN полупроводници много по-бързо от SiC.

4. Топлопроводимост на GaN и SiC

Топлинната проводимост на даден материал е способността му да пренася топлина през себе си. Топлопроводимостта пряко влияе върху температурата на материала, като се има предвид средата, в която се използва. При приложения с висока мощност неефективността на материала генерира топлина, която повишава температурата на материала и впоследствие променя неговите електрически свойства. GaN има топлопроводимост от 1,3 W/cmK, което всъщност е по-лошо от това на силиция, който има проводимост от 1,5 W/cmK. SiC обаче има топлопроводимост от 5 W/cmK, което го прави почти три пъти по-добър при пренасяне на топлинни натоварвания. Това свойство прави SiC много изгоден при приложения с висока мощност и висока температура.

5. Процес на производство на полупроводникови пластини

Настоящите производствени процеси са ограничаващ фактор за GaN и SiC, тъй като те са по-скъпи, по-малко прецизни или по-енергийно интензивни от широко разпространените процеси за производство на силиций. Например, GaN съдържа голям брой кристални дефекти върху малка площ. Силиконът, от друга страна, може да съдържа само 100 дефекта на квадратен сантиметър. Очевидно този огромен процент дефекти прави GaN неефективен. Въпреки че производителите са направили големи крачки през последните години, GaN все още се бори да отговори на строгите изисквания за проектиране на полупроводници.

6. Пазар на силови полупроводници

В сравнение със силиция, текущата производствена технология ограничава рентабилността на галиевия нитрид и силициевия карбид, което прави двата материала с висока мощност по-скъпи в краткосрочен план. И двата материала обаче имат силни предимства в специфични полупроводникови приложения.

Силициевият карбид може да бъде по-ефективен продукт в краткосрочен план, тъй като е по-лесно да се произвеждат по-големи и по-еднородни SiC пластини, отколкото галиев нитрид. С течение на времето галиевият нитрид ще намери своето място в малки, високочестотни продукти, като се има предвид по-голямата му подвижност на електрони. Силициевият карбид ще бъде по-желан в продукти с по-голяма мощност, тъй като мощността му е по-висока от топлопроводимостта на галиевия нитрид.

Галиев нитрид анd устройства от силициев карбид се конкурират със силициеви полупроводникови (LDMOS) MOSFET и superjunction MOSFET. GaN и SiC устройствата са подобни по някакъв начин, но има и значителни разлики.

Фигура 1. Връзката между високо напрежение, висок ток, честота на превключване и основни области на приложение.

Широколентови полупроводници

Съставните полупроводници на WBG имат по-висока подвижност на електрони и по-висока енергия на забранената лента, което се превръща в превъзходни свойства спрямо силиция. Транзисторите, направени от съставни полупроводници WBG, имат по-високи пробивни напрежения и толерантност към високи температури. Тези устройства предлагат предимства пред силиция в приложения с високо напрежение и висока мощност.

Фигура 2. Двойна матрица с двойна FET каскадна верига преобразува GaN транзистор в нормално изключено устройство, което позволява стандартна работа в режим на подобрение в превключващи вериги с висока мощност

WBG транзисторите също превключват по-бързо от силициевите и могат да работят при по-високи честоти. По-ниското съпротивление при включване означава, че те разсейват по-малко енергия, подобрявайки енергийната ефективност. Тази уникална комбинация от характеристики прави тези устройства привлекателни за някои от най-взискателните вериги в автомобилните приложения, особено хибридни и електрически превозни средства.

GaN и SiC транзистори за посрещане на предизвикателствата в автомобилното електрическо оборудване

Основни предимства на GaN и SiC устройствата: Възможност за високо напрежение, с 650 V, 900 V и 1200 V устройства,

Силициев карбид:

По-високи 1700V.3300V и 6500V.

По-бързи скорости на превключване,

По-високи работни температури.

По-ниско съпротивление, минимално разсейване на мощността и по-висока енергийна ефективност.

GaN устройства

При превключващи приложения се предпочитат устройства в режим на подобрение (или E-mode), които обикновено са „изключени“, което доведе до разработването на GaN устройства в E-mode. Първо дойде каскадата от две FET устройства (Фигура 2). Вече са налични стандартни GaN устройства в електронен режим. Те могат да превключват на честоти до 10 MHz и нива на мощност до десетки киловати.

GaN устройствата се използват широко в безжично оборудване като усилватели на мощност при честоти до 100 GHz. Някои от основните случаи на употреба са усилватели на мощността на клетъчни базови станции, военни радари, сателитни предаватели и общо радиочестотно усилване. Въпреки това, поради високото напрежение (до 1000 V), високата температура и бързото превключване, те също се включват в различни приложения за превключване на захранване като DC-DC преобразуватели, инвертори и зарядни устройства за батерии.

SiC устройства

SiC транзисторите са естествени MOSFET транзистори в E-режим. Тези устройства могат да превключват при честоти до 1 MHz и при нива на напрежение и ток, много по-високи от силициевите MOSFET. Максималното напрежение дрейн-източник е до около 1800 V, а капацитетът на тока е 100 ампера. В допълнение, SiC устройствата имат много по-ниско съпротивление при включване от силициевите MOSFET, което води до по-висока ефективност във всички приложения за импулсно захранване (SMPS дизайни).

SiC устройствата изискват задвижване на напрежението на вратата от 18 до 20 волта, за да включат устройството с ниско съпротивление при включване. Стандартните Si MOSFET изискват по-малко от 10 волта на портата, за да се включат напълно. В допълнение, SiC устройствата изискват -3 до -5 V задвижване на вратата, за да превключат в изключено състояние. Възможностите за високо напрежение и висок ток на SiC MOSFET транзисторите ги правят идеални за автомобилни електрически вериги.

В много приложения IGBT се заменят от SiC устройства. SiC устройствата могат да превключват при по-високи честоти, намалявайки размера и цената на индукторите или трансформаторите, като същевременно подобряват ефективността. Освен това SiC може да се справи с по-високи токове от GaN.

Съществува конкуренция между GaN и SiC устройства, особено силициеви LDMOS MOSFET, superjunction MOSFET и IGBT. В много приложения те се заменят с GaN и SiC транзистори.

За да обобщим сравнението на GaN срещу SiC, ето основните моменти:

GaN превключва по-бързо от Si.

SiC работи при по-високи напрежения от GaN.

SiC изисква високо напрежение на задвижването на портата.

Много силови вериги и устройства могат да бъдат подобрени чрез проектиране с GaN и SiC. Един от най-големите бенефициенти е автомобилната електрическа система. Съвременните хибридни и електрически превозни средства съдържат устройства, които могат да използват тези устройства. Някои от популярните приложения са OBC, DC-DC преобразуватели, моторни задвижвания и LiDAR. Фигура 3 посочва основните подсистеми в електрически превозни средства, които изискват превключващи транзистори с висока мощност.

Фигура 3.  WBG бордово зарядно устройство (OBC) за хибридни и електрически превозни средства. AC входът се коригира, факторът на мощността се коригира (PFC) и след това се преобразува DC-DC

DC-DC конвертор. Това е захранваща верига, която преобразува високото напрежение на батерията в по-ниско напрежение, за да работи с други електрически устройства. Днешното напрежение на батерията варира до 600V или 900V. DC-DC преобразувателят го намалява до 48 V или 12 V, или и двете, за работата на други електронни компоненти (Фигура 3). В хибридните електрически и електрически превозни средства (HEVEV) DC-DC може също да се използва за високоволтова шина между батерията и инвертора.

Вградени зарядни устройства (OBC). Plug-in HEVEV и EV съдържат вътрешно зарядно устройство за батерии, което може да се свърже към електрическата мрежа. Това позволява зареждане у дома без необходимост от външно AC−DC зарядно устройство (Фигура 4).

Главен задвижващ моторен драйвер. Основният задвижващ двигател е AC двигател с висока мощност, който задвижва колелата на автомобила. Драйверът е инвертор, който преобразува напрежението на батерията в трифазен променлив ток, за да завърти двигателя.

Фигура 4. Типичен DC-DC преобразувател се използва за преобразуване на високо напрежение на батерията до 12 V и/или 48 V. IGBT, използвани във високоволтови мостове, се заменят от SiC MOSFET.

GaN и SiC транзисторите предлагат на автомобилните електрически дизайнери гъвкавост и по-опростени конструкции, както и превъзходна производителност поради техните характеристики за високо напрежение, висок ток и бързо превключване.

VeTek Semiconductor е професионален китайски производител наПокритие от танталов карбид, Покритие от силициев карбид, GaN продукти, Специален графит, Керамика от силициев карбидиДруга полупроводникова керамика. VeTek Semiconductor се ангажира да предоставя модерни решения за различни продукти за покритие за полупроводниковата индустрия.

Ако имате някакви запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Имейл: anny@veteksemi.com