Apakah perbezaan antara aplikasi silikon karbida dan galium nitrida (GAN)? - Vetek Semiconductor

SicdanKedua -duanyadirujuk sebagai "semikonduktor bandgap lebar" (WBG). Oleh kerana proses pengeluaran yang digunakan, peranti WBG menunjukkan kelebihan berikut:

1. Semikonduktor bandgap lebar

Gallium Nitride (GAN)dansilikon karbida (SiC)agak serupa dari segi bidang bandgap dan pecahan. Bandgap Gallium Nitride adalah 3.2 eV, manakala bandgap silikon karbida adalah 3.4 eV. Walaupun nilai -nilai ini kelihatan sama, ia jauh lebih tinggi daripada bandgap silikon. Bandgap silikon hanya 1.1 eV, yang tiga kali lebih kecil daripada Gallium nitride dan silikon karbida. Bandgaps yang lebih tinggi dari sebatian ini membolehkan Gallium nitride dan silikon karbida untuk menyokong litar voltan yang lebih tinggi, tetapi mereka tidak dapat menyokong litar voltan rendah seperti silikon.

2. Kekuatan medan pecahan

Bidang pecahan Gallium nitride dan silikon karbida agak sama, dengan Gallium nitride mempunyai medan pecahan 3.3 mV/cm dan karbida silikon yang mempunyai medan pecahan 3.5 mV/cm. Bidang pecahan ini membolehkan sebatian mengendalikan voltan yang lebih tinggi jauh lebih baik daripada silikon biasa. Silikon mempunyai medan pecahan 0.3 mV/cm, yang bermaksud bahawa GaN dan SIC hampir sepuluh kali lebih mampu mengekalkan voltan yang lebih tinggi. Mereka juga dapat menyokong voltan yang lebih rendah menggunakan peranti yang lebih kecil.

3. Transistor Mobiliti Elektron Tinggi (HEMT)

Perbezaan yang paling ketara antara GAN dan SIC adalah mobiliti elektron mereka, yang menunjukkan betapa cepatnya elektron bergerak melalui bahan semikonduktor. Pertama, silikon mempunyai pergerakan elektron 1500 cm^2/vs. GAN mempunyai pergerakan elektron 2000 cm^2/Vs, yang bermaksud bahawa elektron bergerak lebih daripada 30% lebih cepat daripada elektron Silicon. Walau bagaimanapun, SIC mempunyai mobiliti elektron sebanyak 650 cm^2/Vs, yang bermaksud bahawa elektron SIC bergerak lebih perlahan daripada elektron GAN dan SI. Dengan pergerakan elektron yang tinggi, GAN hampir tiga kali lebih mampu untuk aplikasi frekuensi tinggi. Elektron boleh bergerak melalui semikonduktor GAN lebih cepat daripada SIC.

4. Kekonduksian Terma GaN dan Sic

Kekonduksian terma sesuatu bahan ialah keupayaannya untuk memindahkan haba melalui dirinya sendiri. Kekonduksian terma secara langsung mempengaruhi suhu bahan, memandangkan persekitaran di mana ia digunakan. Dalam aplikasi berkuasa tinggi, ketidakcekapan bahan menjana haba, yang meningkatkan suhu bahan dan seterusnya mengubah sifat elektriknya. GaN mempunyai kekonduksian terma 1.3 W/cmK, yang sebenarnya lebih buruk daripada silikon, yang mempunyai kekonduksian 1.5 W/cmK. Walau bagaimanapun, SiC mempunyai kekonduksian terma 5 W/cmK, menjadikannya hampir tiga kali lebih baik dalam memindahkan beban haba. Sifat ini menjadikan SiC sangat berfaedah dalam aplikasi berkuasa tinggi dan suhu tinggi.

5. Proses Pembuatan Wafer Semikonduktor

Proses pembuatan semasa merupakan faktor yang membatasi GaN dan SIC kerana mereka lebih mahal, kurang tepat, atau lebih intensif tenaga daripada proses pembuatan silikon yang diterima pakai. Sebagai contoh, GAN mengandungi sejumlah besar kecacatan kristal di kawasan kecil. Silikon, sebaliknya, hanya boleh mengandungi 100 kecacatan setiap sentimeter persegi. Jelas sekali, kadar kecacatan yang besar ini menjadikan GaN tidak cekap. Walaupun pengeluar telah mencapai kemajuan yang hebat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Gan masih berjuang untuk memenuhi keperluan reka bentuk semikonduktor yang ketat.

6. Pasaran Semikonduktor Kuasa

Berbanding dengan silikon, teknologi pembuatan semasa mengehadkan keberkesanan kos galium nitrida dan silikon karbida, menjadikan kedua-dua bahan berkuasa tinggi lebih mahal dalam jangka pendek. Walau bagaimanapun, kedua-dua bahan mempunyai kelebihan yang kuat dalam aplikasi semikonduktor tertentu.

Silicon Carbide mungkin merupakan produk yang lebih berkesan dalam jangka pendek kerana lebih mudah untuk mengeluarkan wafer sic yang lebih besar dan lebih seragam daripada Gallium Nitride. Dari masa ke masa, Gallium Nitride akan mendapati tempatnya dalam produk kecil, frekuensi tinggi yang diberikan mobiliti elektron yang lebih tinggi. Silicon Carbide akan lebih diingini dalam produk kuasa yang lebih besar kerana keupayaan kuasanya lebih tinggi daripada kekonduksian terma Gallium Nitride.

Gallium nitride and peranti silikon karbida bersaing dengan MOSFET semikonduktor silikon (LDMOS) dan MOSFET superjunction. Peranti GaN dan SiC adalah serupa dalam beberapa cara, tetapi terdapat juga perbezaan yang ketara.

Rajah 1. Hubungan antara voltan tinggi, arus tinggi, kekerapan penukaran, dan kawasan aplikasi utama.

Semikonduktor bandgap lebar

Semikonduktor kompaun WBG mempunyai mobiliti elektron yang lebih tinggi dan tenaga celah jalur yang lebih tinggi, yang diterjemahkan kepada sifat unggul berbanding silikon. Transistor yang diperbuat daripada semikonduktor sebatian WBG mempunyai voltan pecahan yang lebih tinggi dan toleransi kepada suhu tinggi. Peranti ini menawarkan kelebihan berbanding silikon dalam aplikasi voltan tinggi dan berkuasa tinggi.

Rajah 2. Litar Cascade Dual-Fet Dual-Die menukarkan transistor GaN ke dalam peranti biasa, membolehkan operasi peningkatan mod standard dalam litar pensuisan kuasa tinggi

Transistor WBG juga beralih lebih cepat daripada silikon dan boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Rintangan "pada" yang lebih rendah bermakna mereka menghilangkan kuasa yang kurang, meningkatkan kecekapan tenaga. Gabungan ciri -ciri unik ini menjadikan peranti ini menarik untuk beberapa litar yang paling menuntut dalam aplikasi automotif, terutamanya kenderaan hibrid dan elektrik.

Transistor GAN dan SIC untuk menghadapi cabaran dalam peralatan elektrik automotif

Faedah utama peranti GaN dan SiC: Keupayaan voltan tinggi, dengan peranti 650 V, 900 V dan 1200 V,

Silikon karbida:

1700V.3300V dan 6500V yang lebih tinggi.

Kelajuan pensuisan yang lebih pantas,

Suhu operasi yang lebih tinggi.

Lebih rendah pada rintangan, pelesapan kuasa minimum, dan kecekapan tenaga yang lebih tinggi.

Peranti Kedua -duanya

Dalam menukar aplikasi, peranti peningkatan mod (atau e-mod), yang biasanya "dimatikan", lebih disukai, yang membawa kepada pembangunan peranti E-mode GAN. Pertama datang lata dua peranti FET (Rajah 2). Kini, peranti e-mode standard GAN tersedia. Mereka boleh beralih pada frekuensi sehingga 10 MHz dan tahap kuasa sehingga puluhan kilowatt.

Peranti GAN digunakan secara meluas dalam peralatan tanpa wayar sebagai penguat kuasa pada frekuensi sehingga 100 GHz. Beberapa kes penggunaan utama adalah penguat kuasa stesen pangkalan selular, radar ketenteraan, pemancar satelit, dan penguatan RF umum. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh voltan tinggi (sehingga 1,000 V), suhu tinggi, dan menukar cepat, ia juga dimasukkan ke dalam pelbagai aplikasi kuasa beralih seperti penukar DC-DC, inverter, dan pengecas bateri.

Peranti Sic

Transistor SiC ialah MOSFET E-mod semula jadi. Peranti ini boleh bertukar pada frekuensi sehingga 1 MHz dan pada tahap voltan dan arus jauh lebih tinggi daripada MOSFET silikon. Voltan sumber saliran maksimum adalah sehingga kira-kira 1,800 V, dan keupayaan semasa ialah 100 amp. Selain itu, peranti SiC mempunyai rintangan pada yang jauh lebih rendah daripada MOSFET silikon, menghasilkan kecekapan yang lebih tinggi dalam semua aplikasi bekalan kuasa pensuisan (reka bentuk SMPS).

Peranti SIC memerlukan pemacu voltan pintu 18 hingga 20 volt untuk menghidupkan peranti dengan rintangan rendah. Standard SI MOSFETS memerlukan kurang daripada 10 volt di pintu gerbang untuk menghidupkan sepenuhnya. Di samping itu, peranti SIC memerlukan pemacu pintu -3 hingga -5 V untuk beralih ke keadaan off. Voltan tinggi, keupayaan semasa yang tinggi SIC MOSFET menjadikan mereka sesuai untuk litar kuasa automotif.

Dalam banyak aplikasi, IGBT digantikan oleh peranti SIC. Peranti SIC boleh beralih pada frekuensi yang lebih tinggi, mengurangkan saiz dan kos induktor atau transformer sambil meningkatkan kecekapan. Di samping itu, SIC boleh mengendalikan arus yang lebih tinggi daripada GAN.

Terdapat persaingan antara peranti GAN dan SIC, terutama Silicon LDMOS MOSFETS, SuperJunction MOSFETS, dan IGBTS. Dalam banyak aplikasi, mereka digantikan oleh transistor GAN dan SIC.

Untuk meringkaskan perbandingan GaN vs. SiC, berikut ialah sorotan:

Kedua -duanya bertukar lebih cepat daripada Si.

SIC beroperasi pada voltan yang lebih tinggi daripada GAN.

Sic memerlukan voltan pemacu pintu tinggi.

Banyak litar kuasa dan peranti boleh diperbaiki dengan mereka bentuk dengan GaN dan SiC. Salah satu penerima manfaat terbesar ialah sistem elektrik automotif. Kenderaan hibrid dan elektrik moden mengandungi peranti yang boleh menggunakan peranti ini. Beberapa aplikasi yang popular ialah OBC, penukar DC-DC, pemacu motor dan LiDAR. Rajah 3 menunjukkan subsistem utama dalam kenderaan elektrik yang memerlukan transistor pensuisan kuasa tinggi.

Rajah 3.  Pengecas on-board WBG (OBC) untuk kenderaan hibrid dan elektrik. Input AC dibetulkan, faktor kuasa dibetulkan (PFC), dan kemudian DC-DC ditukar

Penukar DC-DC. Ini adalah litar kuasa yang menukarkan voltan bateri yang tinggi ke voltan yang lebih rendah untuk menjalankan peranti elektrik lain. Voltan bateri hari ini berkisar sehingga 600V atau 900V. Penukar DC-DC melangkah ke 48V atau 12V, atau kedua-duanya, untuk operasi komponen elektronik lain (Rajah 3). Dalam kenderaan elektrik dan elektrik hibrid (HEVEVs), DC-DC juga boleh digunakan untuk bas voltan tinggi antara pek bateri dan penyongsang.

Pengecas atas kapal (OBC). HEVEV dan EV pemalam mengandungi pengecas bateri dalaman yang boleh disambungkan kepada bekalan utama AC. Ini membolehkan pengecasan di rumah tanpa memerlukan pengecas luaran AC−DC (Rajah 4).

Pemandu motor pemacu utama. Motor pemacu utama adalah motor AC output tinggi yang memacu roda kenderaan. Pemandu adalah penyongsang yang menukarkan voltan bateri kepada tiga fasa AC untuk menghidupkan motor.

Rajah 4. Penukar DC-DC biasa digunakan untuk menukar voltan bateri tinggi kepada 12 V dan/atau 48 V. IGBT yang digunakan dalam jambatan voltan tinggi sedang digantikan oleh MOSFET SiC.

Transistor GAN dan SIC menawarkan fleksibiliti pereka elektrik automotif dan reka bentuk yang lebih mudah serta prestasi unggul kerana voltan tinggi, arus tinggi, dan ciri -ciri penukaran cepat.

VeTek Semiconductor ialah pengilang profesional Cina bagiSalutan Tantalum Carbide, Salutan Silikon Karbida, Produk GAN, Grafit khas, Silicon Carbide CeramicsdanSeramik Semikonduktor Lain. VeTek Semiconductor komited untuk menyediakan penyelesaian termaju untuk pelbagai produk Salutan untuk industri semikonduktor.

Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

E -mel: anny@veteksemi.com