Jaký je rozdíl mezi aplikacemi karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN)? - VeTek Semiconductor

SiCaGaNjsou označovány jako "široké pásmové polovodiče" (WBG). Díky použitému výrobnímu procesu vykazují přístroje WBG následující výhody:

1. Široké pásmové polovodiče

nitrid galia (GaN)akarbid křemíku (SiC)jsou relativně podobné, pokud jde o bandgap a pole rozpadu. Bandgap nitridu galia je 3,2 eV, zatímco bandgap karbidu křemíku je 3,4 eV. Ačkoli se tyto hodnoty zdají podobné, jsou výrazně vyšší než bandgap křemíku. Bandgap křemíku je pouze 1,1 eV, což je třikrát menší než u nitridu galia a karbidu křemíku. Vyšší bandgaps těchto sloučenin umožňuje nitridu galia a karbidu křemíku pohodlně podporovat obvody s vyšším napětím, ale nemohou podporovat obvody nízkého napětí, jako je křemík.

2. Rozdělení síly pole

Průrazná pole nitridu galia a karbidu křemíku jsou relativně podobná, přičemž nitrid galia má průrazné pole 3,3 MV/cm a karbid křemíku má průrazné pole 3,5 MV/cm. Tato průrazná pole umožňují sloučeninám zvládnout vyšší napětí výrazně lépe než běžný křemík. Křemík má průrazné pole 0,3 MV/cm, což znamená, že GaN a SiC jsou téměř desetkrát schopnější udržet vyšší napětí. Jsou také schopny podporovat nižší napětí pomocí výrazně menších zařízení.

3. Tranzistor s vysokou elektronovou mobilitou (HEMT)

Nejvýznamnějším rozdílem mezi GaN a SiC je jejich mobilita elektronů, která ukazuje, jak rychle se elektrony pohybují polovodičovým materiálem. Za prvé, křemík má pohyblivost elektronů 1500 cm^2/Vs. GaN má pohyblivost elektronů 2000 cm^2/Vs, což znamená, že se elektrony pohybují o více než 30 % rychleji než elektrony křemíku. SiC má však pohyblivost elektronů 650 cm^2/Vs, což znamená, že elektrony SiC se pohybují pomaleji než elektrony GaN a Si. S tak vysokou mobilitou elektronů je GaN téměř třikrát schopnější pro vysokofrekvenční aplikace. Elektrony se mohou pohybovat polovodiči GaN mnohem rychleji než SiC.

4. Tepelná vodivost GaN a SiC

Tepelná vodivost materiálu je jeho schopnost přenášet teplo skrz sebe. Tepelná vodivost přímo ovlivňuje teplotu materiálu vzhledem k prostředí, ve kterém se používá. V aplikacích s vysokým výkonem vzniká při neefektivitě materiálu teplo, které zvyšuje teplotu materiálu a následně mění jeho elektrické vlastnosti. GaN má tepelnou vodivost 1,3 W/cmK, což je ve skutečnosti horší než u křemíku, který má vodivost 1,5 W/cmK. SiC má však tepelnou vodivost 5 W/cmK, díky čemuž je téměř třikrát lepší při přenosu tepelného zatížení. Tato vlastnost činí SiC velmi výhodným ve vysoce výkonných a vysokoteplotních aplikacích.

5. Proces výroby polovodičových destiček

Současné výrobní procesy jsou pro GaN a SiC limitujícím faktorem, protože jsou dražší, méně přesné nebo energeticky náročnější než široce používané procesy výroby křemíku. Například GaN obsahuje velké množství krystalových defektů na malé ploše. Na druhé straně křemík může obsahovat pouze 100 defektů na centimetr čtvereční. Je zřejmé, že tato obrovská chybovost činí GaN neefektivním. Zatímco výrobci udělali v posledních letech velký pokrok, GaN se stále snaží splnit přísné požadavky na konstrukci polovodičů.

6. Trh výkonových polovodičů

Ve srovnání s křemíkem omezuje současná výrobní technologie nákladovou efektivitu nitridu galia a karbidu křemíku, takže oba vysoce výkonné materiály jsou krátkodobě dražší. Oba materiály však mají velké výhody ve specifických polovodičových aplikacích.

Karbid křemíku může být z krátkodobého hlediska účinnějším produktem, protože je snazší vyrobit větší a jednotnější SiC destičky než nitrid galia. Postupem času najde nitrid galia své místo v malých, vysokofrekvenčních produktech vzhledem k jeho vyšší mobilitě elektronů. Karbid křemíku bude více žádoucí u větších energetických produktů, protože jeho energetické schopnosti jsou vyšší než tepelná vodivost nitridu galia.

Nitrid galia anZařízení z karbidu křemíku konkurují křemíkovým polovodičovým (LDMOS) MOSFETům a superjunkčním MOSFETům. Zařízení GaN a SiC jsou si v některých ohledech podobná, ale existují také významné rozdíly.

Obrázek 1. Vztah mezi vysokým napětím, vysokým proudem, spínací frekvencí a hlavními oblastmi použití.

Široký bandgap polovodiče

Složené polovodiče WBG mají vyšší mobilitu elektronů a vyšší energii bandgap, což se promítá do lepších vlastností než křemík. Tranzistory vyrobené ze sloučenin WBG polovodičů mají vyšší průrazná napětí a toleranci vůči vysokým teplotám. Tato zařízení nabízejí oproti křemíku výhody ve vysokonapěťových a vysoce výkonných aplikacích.

Obrázek 2. Kaskádový obvod dual-dies dual-FET převádí tranzistor GaN na normálně vypnuté zařízení, což umožňuje standardní provoz v režimu vylepšení ve spínacích obvodech s vysokým výkonem

WBG tranzistory také spínají rychleji než křemík a mohou pracovat na vyšších frekvencích. Nižší odpor „zapnuto“ znamená, že rozptylují méně energie a zlepšují energetickou účinnost. Tato jedinečná kombinace charakteristik činí tato zařízení atraktivní pro některé z nejnáročnějších obvodů v automobilových aplikacích, zejména hybridních a elektrických vozidel.

Tranzistory GaN a SiC pro řešení problémů v automobilovém elektrickém vybavení

Klíčové výhody zařízení GaN a SiC: Možnost vysokého napětí se zařízeními 650 V, 900 V a 1200 V,

Karbid křemíku:

Vyšší 1700V,3300V a 6500V.

Vyšší rychlosti přepínání,

Vyšší provozní teploty.

Nižší odpor, minimální ztrátový výkon a vyšší energetická účinnost.

Zařízení GaN

V přepínacích aplikacích jsou preferována zařízení v režimu vylepšení (nebo E-mode), která jsou obvykle „vypnutá“, což vedlo k vývoji zařízení GaN v režimu E. Nejprve přišla kaskáda dvou FET zařízení (obrázek 2). Nyní jsou k dispozici standardní e-mode GaN zařízení. Mohou spínat na frekvencích až 10 MHz a výkonových úrovních až do desítek kilowattů.

Zařízení GaN jsou široce používána v bezdrátových zařízeních jako výkonové zesilovače při frekvencích až 100 GHz. Některé z hlavních případů použití jsou výkonové zesilovače pro celulární základnové stanice, vojenské radary, satelitní vysílače a obecné RF zesilovače. Kvůli vysokému napětí (až 1 000 V), vysoké teplotě a rychlému spínání jsou však také začleněny do různých aplikací spínaného napájení, jako jsou DC-DC měniče, invertory a nabíječky baterií.

SiC zařízení

SiC tranzistory jsou přirozené MOSFETy v E-módu. Tato zařízení mohou spínat na frekvencích až 1 MHz a na napěťových a proudových úrovních mnohem vyšších než křemíkové MOSFETy. Maximální napětí zdroje kolektoru je až asi 1 800 V a proudová kapacita je 100 ampérů. Zařízení SiC mají navíc mnohem nižší odpor proti zapnutí než křemíkové MOSFETy, což má za následek vyšší účinnost ve všech aplikacích spínaného napájení (design SMPS).

Zařízení SiC vyžadují pohon hradlového napětí 18 až 20 voltů, aby se zařízení zapnulo s nízkým odporem. Standardní Si MOSFETy vyžadují k úplnému zapnutí méně než 10 voltů na bráně. Zařízení SiC navíc vyžadují pro přepnutí do vypnutého stavu pohon hradla -3 až -5 V. Vysokonapěťové a proudové schopnosti SiC MOSFETů z nich dělají ideální pro automobilové napájecí obvody.

V mnoha aplikacích jsou IGBT nahrazovány SiC zařízeními. Zařízení SiC mohou přepínat na vyšších frekvencích, čímž se zmenšuje velikost a náklady na induktory nebo transformátory a zároveň se zvyšuje účinnost. SiC navíc zvládne vyšší proudy než GaN.

Mezi zařízeními GaN a SiC, zejména křemíkovými LDMOS MOSFETy, superjunkčními MOSFETy a IGBT, existuje konkurence. V mnoha aplikacích jsou nahrazovány tranzistory GaN a SiC.

Abychom shrnuli srovnání GaN vs. SiC, zde jsou nejdůležitější:

GaN přepíná rychleji než Si.

SiC pracuje při vyšším napětí než GaN.

SiC vyžaduje vysoké napětí hradla.

Mnoho výkonových obvodů a zařízení lze vylepšit navržením pomocí GaN a SiC. Jedním z největších přínosů je automobilový elektrický systém. Moderní hybridní a elektrická vozidla obsahují zařízení, která mohou tato zařízení využívat. Některé z populárních aplikací jsou OBC, DC-DC měniče, motorové pohony a LiDAR. Obrázek 3 ukazuje hlavní subsystémy v elektrických vozidlech, které vyžadují vysoce výkonné spínací tranzistory.

Obrázek 3.  Palubní nabíječka WBG (OBC) pro hybridní a elektrická vozidla. AC vstup je usměrněn, je upraven účiník (PFC) a poté DC-DC převeden

DC-DC měnič. Jedná se o napájecí obvod, který převádí vysoké napětí baterie na nižší napětí pro provoz jiných elektrických zařízení. Dnešní napětí baterie se pohybuje do 600V nebo 900V. Převodník DC-DC toto napětí sníží na 48 V nebo 12 V, nebo obojí, pro provoz dalších elektronických součástek (obrázek 3). V hybridních elektrických a elektrických vozidlech (HEVEV) lze DC-DC použít také pro vysokonapěťovou sběrnici mezi akumulátorem a měničem.

Palubní nabíječky (OBC). Zásuvné vozy HEVEV a EV obsahují interní nabíječku baterií, kterou lze připojit k elektrické síti. To umožňuje nabíjení doma bez potřeby externí AC-DC nabíječky (obrázek 4).

Ovladač motoru hlavního pohonu. Hlavní hnací motor je střídavý motor s vysokým výkonem, který pohání kola vozidla. Ovladač je invertor, který převádí napětí baterie na třífázový střídavý proud pro otáčení motoru.

Obrázek 4. Typický DC-DC měnič se používá pro přeměnu vysokého napětí baterie na 12 V a/nebo 48 V. IGBT používané ve vysokonapěťových můstcích jsou nahrazovány SiC MOSFETy.

Tranzistory GaN a SiC nabízejí konstruktérům automobilové elektrotechniky flexibilitu a jednodušší návrhy, stejně jako vynikající výkon díky jejich vysokému napětí, vysokému proudu a rychlým spínacím charakteristikám.

VeTek Semiconductor je profesionální čínský výrobcePovlak z karbidu tantalu, Povlak z karbidu křemíku, produkty GaN, Speciální grafit, Keramika z karbidu křemíkuaOstatní polovodičová keramika. VeTek Semiconductor se zavazuje poskytovat pokročilá řešení pro různé produkty Coating pro polovodičový průmysl.

Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com