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

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

1. Bredt båndgap halvledere

Galliumnitrid (GaN)ogsilisiumkarbid (SiC)er relativt like når det gjelder båndgap og sammenbruddsfelt. Båndgapet til galliumnitrid er 3,2 eV, mens båndgapet til silisiumkarbid er 3,4 eV. Selv om disse verdiene virker like, er de betydelig høyere enn båndgapet til silisium. Båndgapet til silisium er bare 1,1 eV, som er tre ganger mindre enn for galliumnitrid og silisiumkarbid. De høyere båndgapene til disse forbindelsene lar galliumnitrid og silisiumkarbid komfortabelt støtte høyere spenningskretser, men de kan ikke støtte lavspenningskretser som silisium.

2. Nedbrytningsfeltstyrke

Nedbrytningsfeltene for galliumnitrid og silisiumkarbid er relativt like, med galliumnitrid som har et nedbrytningsfelt på 3,3 MV/cm og silisiumkarbid som har 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. Transistor med høy elektronmobilitet (HEMT)

Den viktigste forskjellen mellom GaN og SiC er deres elektronmobilitet, som indikerer hvor raskt 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 silisiums elektroner. Imidlertid har SiC en elektronmobilitet på 650 cm^2/Vs, noe som betyr at SiCs elektroner beveger seg langsommere 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 ledningsevnen til et materiale er dets evne til å overføre varme gjennom seg selv. Termisk ledningsevne påvirker direkte temperaturen til et materiale, gitt miljøet det brukes i. I høyeffektapplikasjoner genererer materialets ineffektivitet varme, som øker materialets temperatur og deretter endrer dets elektriske egenskaper. GaN har en termisk ledningsevne på 1,3 W/cmK, som faktisk er dårligere enn for silisium, som har en ledningsevne på 1,5 W/cmK. SiC har imidlertid en termisk ledningsevne på 5 W/cmK, noe som gjør den nesten tre ganger bedre til å overføre varmebelastninger. Denne egenskapen gjør SiC svært fordelaktig i applikasjoner med høy effekt og høy temperatur.

5. Produksjonsprosess for halvlederwafer

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 jevne 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 kraftkapasiteten er høyere enn galliumnitrids varmeledningsevne.

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, svitsjefrekvens og store bruksområder.

Bredt båndgap halvledere

WBG-sammensatte halvledere har høyere elektronmobilitet og høyere båndgapenergi, noe som oversetter seg til overlegne egenskaper i forhold til silisium. Transistorer laget av WBG-sammensatte halvledere har høyere nedbrytningsspenninger og toleranse for høye temperaturer. Disse enhetene tilbyr fordeler fremfor silisium i høyspennings- og høyeffektapplikasjoner.

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 strøm, 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.

GaN- 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 byttehastigheter,

Høyere driftstemperaturer.

Lavere motstand, minimalt strømtap og høyere energieffektivitet.

GaN-enheter

Ved bytte av applikasjoner foretrekkes enheter med forbedringsmodus (eller E-modus), som vanligvis er "av", noe som førte til utviklingen av GaN-enheter i E-modus. Først kom kaskaden av to FET-enheter (Figur 2). Nå er standard GaN-enheter i e-modus tilgjengelig. De kan bytte ved frekvenser opp til 10 MHz og effektnivåer opp til titalls kilowatt.

GaN-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 opptil 1 MHz og ved spennings- og strømnivåer som er mye høyere enn silisium MOSFET-er. Maksimal drain-source spenning er opptil ca. 1800 V, og strømkapasiteten er 100 ampere. I tillegg har SiC-enheter en mye lavere på-motstand enn silisium MOSFET-er, noe som resulterer i høyere effektivitet i alle byttestrømforsyningsapplikasjoner (SMPS-design).

SiC-enheter krever en portspenningsdrift på 18 til 20 volt for å slå på enheten med lav på-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 portdrift for å bytte til av-tilstand. Høyspenten og høystrømkapasiteten til SiC MOSFET-er gjør dem ideelle for strømkretser i biler.

I mange applikasjoner blir IGBT-er erstattet av SiC-enheter. SiC-enheter kan bytte ved høyere frekvenser, redusere størrelsen og kostnadene til induktorer eller transformatorer samtidig som effektiviteten forbedres. 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 sammenligningen mellom GaN og SiC, her er høydepunktene:

GaN 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 fordelene er det elektriske bilsystemet. Moderne hybrid- og elektriske kjøretøy inneholder enheter som kan bruke disse enhetene. Noen av de populære applikasjonene er OBC-er, DC-DC-omformere, motordrev og LiDAR. Figur 3 peker på hoveddelsystemene i elektriske kjøretøyer som krever svitsjetransistorer 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.

On-board ladere (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.

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

VeTek Semiconductor er en profesjonell kinesisk produsent avTantalkarbidbelegg, Silisiumkarbidbelegg, GaN produkter, Spesiell grafitt, SilisiumkarbidkeramikkogAnnen halvlederkeramikk. VeTek Semiconductor er forpliktet til å tilby avanserte løsninger for ulike beleggprodukter for halvlederindustrien.

Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com