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

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

1. Широкозонні 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, такі як кремній.

2. Напруженість поля пробою

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 витримувати вищі напруги значно краще, ніж звичайний кремній. Кремній 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 за допомогою значно менших пристроїв.

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 пропускати через себе тепло. Теплопровідність безпосередньо впливає на температуру матеріалу, враховуючи середовище, в якому він використовується. У системах із високою потужністю неефективність матеріалу генерує тепло, яке підвищує температуру матеріалу та згодом змінює його електричні властивості. GaN має теплопровідність 1,3 Вт/смK, що насправді гірше, ніж у кремнію, який має провідність 1,5 Вт/смK. Однак SiC має теплопровідність 5 Вт/смК, що робить його майже втричі кращим у передачі теплових навантажень. Ця властивість робить SiC дуже вигідним у застосуваннях з високою потужністю та високими температурами.

5. Процес виготовлення напівпровідникової пластини

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 силових напівпровідників

Порівняно з кремнієм, сучасна технологія виробництва обмежує економічну ефективність нітриду галію та карбіду кремнію, що робить обидва високопотужні матеріали дорожчими в короткостроковій перспективі. Однак обидва матеріали мають значні переваги в конкретних напівпровідникових додатках.

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.

Нітрид галію анПристрої 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, великим струмом, частотою перемикання та основними областями застосування.

Широкозонні напівпровідники

Складні напівпровідники WBG мають вищу рухливість електронів і вищу ширину забороненої зони, що означає кращі властивості порівняно з кремнієм. Транзистори, виготовлені зі складних напівпровідників WBG, мають вищу напругу пробою та стійкість до високих температур. Ці пристрої мають переваги перед кремнієвими у застосуваннях високої напруги та великої потужності.

Малюнок 2. Каскадна схема з подвійним кристалом і подвійним польовим транзистором перетворює GaN транзистор у нормально вимкнений пристрій, уможливлюючи стандартну роботу в режимі покращення в схемах комутації високої потужності

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. Це унікальне поєднання характеристик робить ці пристрої привабливими для деяких із найвимогливіших схем в автомобільних додатках, особливо для гібридних та електричних транспортних засобів.

GaN 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.

Низький опір, мінімальне розсіювання потужності та вища енергоефективність.

Пристрої GaN

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.

GaN 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 системи живлення, такі як перетворювачі постійного струму в постійний струм, інвертори та зарядні пристрої для акумуляторів.

Пристрої SiC

Транзистори SiC є природними МОП-транзисторами E-mode. Ці пристрої можуть перемикатися на частотах до 1 МГц і на рівнях напруги та струму, набагато вищих, ніж кремнієві MOSFET. Максимальна напруга сток-витік становить близько 1800 В, а сила струму становить 100 ампер. Крім того, пристрої з SiC мають набагато нижчий опір увімкнення, ніж кремнієві МОП-транзистори, що призводить до вищої ефективності в усіх додатках із імпульсним джерелом живлення (конструкції SMPS).

Пристрої з SiC потребують напруги затвора від 18 до 20 вольт, щоб увімкнути пристрій із низьким опором увімкнення. Для повного ввімкнення стандартних Si MOSFET потрібно менше 10 вольт на затворі. Крім того, для пристроїв із SiC для перемикання у вимкнений стан потрібен привід затвора від -3 до -5 В. Завдяки високій напрузі та високому струму МОП-транзистори SiC роблять їх ідеальними для автомобільних ланцюгів живлення.

У багатьох додатках IGBT замінюються пристроями з SiC. Пристрої з SiC можуть перемикатися на вищих частотах, зменшуючи розмір і вартість індукторів або трансформаторів, одночасно підвищуючи ефективність. Крім того, SiC може витримувати більші струми, ніж GaN.

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

Щоб підсумувати порівняння GaN і SiC, ось основні моменти:

GaN перемикається швидше, ніж Si.

SiC працює при більш високих напругах, ніж GaN.

SiC вимагає високих напруг приводу затвора.

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. Бортовий зарядний пристрій WBG (OBC) для гібридних та електричних транспортних засобів. Вхід змінного струму випрямляється, коригується коефіцієнт потужності (PFC), а потім перетворюється DC-DC

DC-DC перетворювач. 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). Вставні HEVEV і EV містять внутрішній зарядний пристрій, який можна підключити до мережі змінного струму. Це дозволяє заряджати вдома без потреби у зовнішньому зарядному пристрої AC−DC (Малюнок 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 є професійним китайським виробникомПокриття з карбіду танталу, Покриття з карбіду кремнію, Продукти GaN, Спеціальний графіт, Кераміка з карбіду кремніюіІнша напівпровідникова кераміка. VeTek Semiconductor прагне надавати передові рішення для різних покриттів для напівпровідникової промисловості.

Якщо у вас виникли запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Електронна адреса: anny@veteksemi.com