Hva er forskjellen mellom bruk av silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN)? - VeTek Semiconductor

SicogBåderefereres til som "wide bandgap semiconductors" (WBG). På grunn av produksjonsprosessen som brukes, viser WBG-enheter følgende fordeler:

1. Bredt båndgap halvledere

Gallium Nitride (GaN)ogsilisiumkarbid (sic)er relativt like når det gjelder bandgap og nedbrytningsfelt. Bandgapet av galliumnitrid er 3,2 eV, mens bandgap av silisiumkarbid er 3,4 eV. Selv om disse verdiene virker like, er de betydelig høyere enn bandgap av silisium. Bandgap av silisium er bare 1,1 eV, som er tre ganger mindre enn for galliumnitrid og silisiumkarbid. De høyere båndgappene av disse forbindelsene tillater galliumnitrid og silisiumkarbid for komfortabelt å støtte høyere spenningskretser, men de kan ikke støtte lavspenningskretser som silisium.

2. Nedbrytningsfeltstyrke

Nedbrytningsfeltene for galliumnitrid og silisiumkarbid er relativt like, med galliumnitrid med et nedbrytningsfelt på 3,3 mV/cm og silisiumkarbid med et nedbrytningsfelt på 3,5 mV/cm. Disse nedbrytningsfeltene lar forbindelsene håndtere høyere spenninger betydelig bedre enn vanlig silisium. Silisium har et nedbrytningsfelt på 0,3 mV/cm, noe som betyr at GaN og SIC er nesten ti ganger mer i stand til å opprettholde høyere spenninger. De er også i stand til å støtte lavere spenninger ved å bruke betydelig mindre enheter.

3. Høy elektronmobilitetstransistor (HEMT)

Den viktigste forskjellen mellom GaN og SIC er deres elektronmobilitet, som indikerer hvor raske elektroner beveger seg gjennom halvledermaterialet. For det første har silisium en elektronmobilitet på 1500 cm^2/vs. GaN har en elektronmobilitet på 2000 cm^2/vs, noe som betyr at elektroner beveger seg mer enn 30% raskere enn Silicons elektroner. Imidlertid har SIC en elektronmobilitet på 650 cm^2/VS, noe som betyr at SICs elektroner beveger seg saktere enn GaN og SIs elektroner. Med en så høy elektronmobilitet er GaN nesten tre ganger mer kapabel for høyfrekvente applikasjoner. Elektroner kan bevege seg gjennom GaN -halvledere mye raskere enn SIC.

4. Termisk ledningsevne av GaN og Sic

Den termiske konduktiviteten til et materiale er dens evne til å overføre varme gjennom seg selv. Termisk konduktivitet påvirker direkte temperaturen på et materiale, gitt miljøet det brukes i. I høye effektapplikasjoner genererer ineffektiviteten til materialet varme, som hever materialets temperatur og deretter endrer dets elektriske egenskaper. GaN har en termisk ledningsevne på 1,3 W/CMK, som faktisk er verre enn for silisium, som har en konduktivitet på 1,5 W/CMK. SIC har imidlertid en termisk ledningsevne på 5 W/CMK, noe som gjør det nesten tre ganger bedre til å overføre varmebelastninger. Denne eiendommen gjør SIC svært fordelaktig i høyeffekt, høye temperaturapplikasjoner.

5. Produksjonsprosess for halvleder av wafer

Gjeldende produksjonsprosesser er en begrensende faktor for GaN og SiC fordi de er dyrere, mindre presise eller mer energikrevende enn de mye vedtatte silisiumproduksjonsprosessene. For eksempel inneholder GaN et stort antall krystalldefekter over et lite område. Silisium kan derimot bare inneholde 100 defekter per kvadratcentimeter. Åpenbart gjør denne enorme feilraten GaN ineffektiv. Mens produsentene har gjort store fremskritt de siste årene, sliter GaN fortsatt med å møte de strenge kravene til halvlederdesign.

6. Power Semiconductor Market

Sammenlignet med silisium begrenser dagens produksjonsteknologi kostnadseffektiviteten til galliumnitrid og silisiumkarbid, noe som gjør begge høyeffektmaterialene dyrere på kort sikt. Imidlertid har begge materialene sterke fordeler i spesifikke halvlederapplikasjoner.

Silisiumkarbid kan være et mer effektivt produkt på kort sikt fordi det er lettere å produsere større og mer ensartede SIC -skiver enn galliumnitrid. Over tid vil galliumnitrid finne sin plass i små, høyfrekvente produkter gitt sin høyere elektronmobilitet. Silisiumkarbid vil være mer ønskelig i større kraftprodukter fordi kraftfunksjonene er høyere enn galliumnitrides termiske ledningsevne.

Galliumnitrid and silisiumkarbidenheter konkurrerer med silisiumhalvleder (LDMOS) MOSFET-er og superjunction-MOSFET-er. GaN- og SiC-enheter er like på noen måter, men det er også betydelige forskjeller.

Figur 1. Forholdet mellom høyspenning, høy strøm, koblingsfrekvens og hovedpåføringsområder.

Bredt båndgap halvledere

WBG -sammensatte halvledere har høyere elektronmobilitet og høyere båndgapenergi, som oversettes til overlegne egenskaper over silisium. Transistorer laget av WBG -sammensatte halvledere har høyere nedbrytningsspenninger og toleranse for høye temperaturer. Disse enhetene gir fordeler i forhold til silisium i høyspenning og høykraftsapplikasjoner.

Figur 2. En dual-die dual-FET-kaskadekrets konverterer en GaN-transistor til en normalt avslått enhet, som muliggjør standard forbedringsmodusdrift i svitsjekretser med høy effekt

WBG-transistorer bytter også raskere enn silisium og kan operere ved høyere frekvenser. Lavere "på"-motstand betyr at de sprer mindre kraft, noe som forbedrer energieffektiviteten. Denne unike kombinasjonen av egenskaper gjør disse enhetene attraktive for noen av de mest krevende kretsene i bilapplikasjoner, spesielt hybrid- og elektriske kjøretøy.

Både- og SiC-transistorer for å møte utfordringer innen elektrisk utstyr for biler

Hovedfordeler med GaN- og SiC-enheter: Høyspenningskapasitet, med 650 V, 900 V og 1200 V-enheter,

Silisiumkarbid:

Høyere 1700V.3300V og 6500V.

Raskere koblingshastigheter,

Høyere driftstemperaturer.

Lavere på motstand, minimal kraftdissipasjon og høyere energieffektivitet.

Både -enheter

Når du bytter applikasjoner, foretrekkes Enhancement-Mode (eller E-Mode) enheter, som vanligvis er "av", noe som førte til utvikling av E-Mode GaN-enheter. Først kom kaskaden til to FET -enheter (figur 2). Nå er standard E-modus GaN-enheter tilgjengelige. De kan bytte med frekvenser opp til 10 MHz og effektnivå opp til titalls kilowatt.

Både-enheter er mye brukt i trådløst utstyr som effektforsterkere ved frekvenser opp til 100 GHz. Noen av de viktigste brukstilfellene er kraftforsterkere for cellulære basestasjoner, militærradarer, satellittsendere og generell RF-forsterkning. På grunn av høy spenning (opptil 1000 V), høy temperatur og rask svitsjing, er de imidlertid også integrert i ulike svitsjestrømapplikasjoner som DC-DC-omformere, vekselrettere og batteriladere.

SIC -enheter

SIC-transistorer er naturlige e-modus MOSFET-er. Disse enhetene kan bytte ved frekvenser opp til 1 MHz og ved spenning og strømnivå mye høyere enn silisiummosfeter. Maksimal avløpskildespenning er opp til omtrent 1800 V, og strømkapasiteten er 100 ampere. I tillegg har SIC-enheter en mye lavere motstand enn silisium MOSFET-er, noe som resulterer i høyere effektivitet i alle byttekraftforsyningsapplikasjoner (SMPS-design).

SIC-enheter krever en portspenningsstasjon på 18 til 20 volt for å slå på enheten med lav motstand. Standard SI MOSFET -er krever mindre enn 10 volt ved porten for å slå seg helt på. I tillegg krever SIC -enheter en -3 til -5 V gate -stasjon for å bytte til OFF -tilstanden. Høyspenning, høye strømfunksjoner for SIC MOSFET -er gjør dem ideelle for bilkretser.

I mange applikasjoner blir IGBT -er erstattet av SIC -enheter. SIC -enheter kan bytte ved høyere frekvenser, og redusere størrelsen og kostnadene for induktorer eller transformatorer mens du forbedrer effektiviteten. I tillegg kan SIC håndtere høyere strømmer enn GaN.

Det er konkurranse mellom GaN- og SiC-enheter, spesielt silisium LDMOS-MOSFET-er, superjunction-MOSFET-er og IGBT-er. I mange applikasjoner blir de erstattet av GaN- og SiC-transistorer.

For å oppsummere GaN vs. SIC -sammenligningen, her er høydepunktene:

Både bytter raskere enn Si.

Sic opererer med høyere spenninger enn GaN.

Sic krever høye portdrivspenninger.

Mange strømkretser og enheter kan forbedres ved å designe med GaN og SIC. En av de største mottakerne er det elektriske systemet. Moderne hybrid- og elektriske kjøretøy inneholder enheter som kan bruke disse enhetene. Noen av de populære applikasjonene er OBC, DC-DC-omformere, motorstasjoner og Lidar. Figur 3 påpeker de viktigste delsystemene i elektriske kjøretøyer som krever transistorer med høy effekt.

Figur 3.  WBG innebygd lader (OBC) for hybrid- og elektriske kjøretøy. AC-inngangen korrigeres, effektfaktor korrigeres (PFC), og deretter DC-DC konverteres

DC-DC omformer. Dette er en strømkrets som konverterer den høye batterispenningen til en lavere spenning for å drive andre elektriske enheter. Dagens batterispenning varierer opp til 600V eller 900V. DC-DC-omformeren trapper den ned til 48V eller 12V, eller begge deler, for drift av andre elektroniske komponenter (Figur 3). I hybride elektriske og elektriske kjøretøy (HEVEV) kan DC-DC også brukes til høyspentbussen mellom batteripakken og omformeren.

Ombordladere (OBCS). Plug-in HEVEVs og EVs inneholder en intern batterilader som kan kobles til en vekselstrømsforsyning. Dette gjør det mulig å lade hjemme uten behov for en ekstern AC−DC-lader (Figur 4).

Hoveddrivmotordriver. Hoveddrivmotoren er en AC-motor med høy ytelse som driver kjøretøyets hjul. Driveren er en omformer som konverterer batterispenningen til trefaset AC for å snu motoren.

Figur 4. En typisk DC-DC-omformer brukes til å konvertere høye batterispenninger til 12 V og/eller 48 V. IGBT-er som brukes i høyspentbroer blir erstattet av SiC MOSFET-er.

Både- og SiC-transistorer tilbyr elektriske bildesignere fleksibilitet og enklere design samt overlegen ytelse på grunn av høy spenning, høy strøm og raske svitsjeegenskaper.

VeTek Semiconductor er en profesjonell kinesisk produsent avTantal karbidbelegg, Silisiumkarbidbelegg, Både produkter, Spesiell grafitt, Silisiumkarbid keramikkogAnnen halvlederkeramikk. Vetek Semiconductor er opptatt av å tilby avanserte løsninger for forskjellige beleggprodukter for halvlederindustrien.

Hvis du har noen henvendelser eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å komme i kontakt med oss.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E -post: anny@veteksemi.com