Ποια είναι η διαφορά μεταξύ εφαρμογών καρβιδίου πυριτίου (SIC) και γάλλου (GAN); - Vetek Semiconductor

ΟύτωκαιΚαι οι δύοαναφέρονται ως "ευρείες ημιαγωγοί Bandgap" (WBG). Λόγω της χρησιμοποιούμενης διαδικασίας παραγωγής, οι συσκευές WBG δείχνουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

1. Ημιαγωγοί ευρείας ζώνης

Γάλλιο νιτρίδιο (GAN)καικαρβίδιο πυριτίου (sic)είναι σχετικά παρόμοια όσον αφορά το bandgap και το πεδίο ανάλυσης. Το διάκενο του νιτριδίου του γαλλίου είναι 3,2 eV, ενώ το διάκενο του καρβιδίου του πυριτίου είναι 3,4 eV. Αν και αυτές οι τιμές φαίνονται παρόμοιες, είναι σημαντικά υψηλότερες από το bandgap του πυριτίου. Το διάκενο του πυριτίου είναι μόνο 1,1 eV, το οποίο είναι τρεις φορές μικρότερο από αυτό του νιτριδίου του γαλλίου και του καρβιδίου του πυριτίου. Τα υψηλότερα διάκενα ζώνης αυτών των ενώσεων επιτρέπουν στο νιτρίδιο του γαλλίου και στο καρβίδιο του πυριτίου να υποστηρίζουν άνετα κυκλώματα υψηλότερης τάσης, αλλά δεν μπορούν να υποστηρίξουν κυκλώματα χαμηλής τάσης όπως το πυρίτιο.

2. Ισχύς πεδίου διάσπασης

Τα πεδία διάσπασης του νιτριδίου του γαλλίου και του καρβιδίου του πυριτίου είναι σχετικά παρόμοια, με το νιτρίδιο του γαλλίου να έχει πεδίο διάσπασης 3,3 MV/cm και το καρβίδιο του πυριτίου να έχει πεδίο διάσπασης 3,5 MV/cm. Αυτά τα πεδία διάσπασης επιτρέπουν στις ενώσεις να χειρίζονται υψηλότερες τάσεις σημαντικά καλύτερα από το κανονικό πυρίτιο. Το πυρίτιο έχει πεδίο διάσπασης 0,3 MV/cm, που σημαίνει ότι το GaN και το SiC είναι σχεδόν δέκα φορές πιο ικανά να διατηρούν υψηλότερες τάσεις. Είναι επίσης σε θέση να υποστηρίξουν χαμηλότερες τάσεις χρησιμοποιώντας σημαντικά μικρότερες συσκευές.

3. Τρανζίστορ κινητικότητας υψηλής ηλεκτρονίων (HEMT)

Η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ του GAN και του SIC είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων τους, γεγονός που υποδεικνύει πόσο γρήγορα τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του υλικού ημιαγωγού. Πρώτον, το πυρίτιο έχει κινητικότητα ηλεκτρονίων 1500 cm^2/vs. Το Gan έχει κινητικότητα ηλεκτρονίων 2000 cm^2/Vs, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται περισσότερο από 30% ταχύτερα από τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Ωστόσο, το SIC έχει κινητικότητα ηλεκτρονίων 650 cm^2/Vs, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια του SIC κινούνται πιο αργά από τα ηλεκτρόνια του Gan και του Si. Με τόσο υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, το GAN είναι σχεδόν τρεις φορές πιο ικανό για εφαρμογές υψηλής συχνότητας. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μέσα από τους ημιαγωγούς Gan πολύ πιο γρήγορα από το SIC.

4. Θερμική αγωγιμότητα GaN και Ούτω

Η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού είναι η ικανότητά του να μεταφέρει θερμότητα μέσω του εαυτού του. Η θερμική αγωγιμότητα επηρεάζει άμεσα τη θερμοκρασία ενός υλικού, δεδομένου του περιβάλλοντος στο οποίο χρησιμοποιείται. Σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, η αναποτελεσματικότητα του υλικού παράγει θερμότητα, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία του υλικού και στη συνέχεια αλλάζει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Το GaN έχει θερμική αγωγιμότητα 1,3 W/cmK, η οποία είναι στην πραγματικότητα χειρότερη από αυτή του πυριτίου, που έχει αγωγιμότητα 1,5 W/cmK. Ωστόσο, το SiC έχει θερμική αγωγιμότητα 5 W/cmK, καθιστώντας το σχεδόν τρεις φορές καλύτερο στη μεταφορά θερμικών φορτίων. Αυτή η ιδιότητα καθιστά το SiC εξαιρετικά πλεονεκτικό σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής θερμοκρασίας.

5.

Οι τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής αποτελούν περιοριστικό παράγοντα για το GAN και το SIC, επειδή είναι ακριβότερες, λιγότερο ακριβείς ή πιο ενεργειακές έντονες από τις ευρέως υιοθετημένες διαδικασίες παραγωγής πυριτίου. Για παράδειγμα, το Gan περιέχει μεγάλο αριθμό κρυσταλλικών ελαττωμάτων σε μια μικρή περιοχή. Το πυρίτιο, από την άλλη πλευρά, μπορεί να περιέχει μόνο 100 ελαττώματα ανά τετραγωνικό εκατοστό. Προφανώς, αυτό το τεράστιο ποσοστό ελαττωμάτων καθιστά το Gan αναποτελεσματικό. Ενώ οι κατασκευαστές έχουν κάνει μεγάλα βήματα τα τελευταία χρόνια, ο Gan εξακολουθεί να αγωνίζεται να ικανοποιήσει τις αυστηρές απαιτήσεις σχεδιασμού ημιαγωγών.

6. Αγορά ημιαγωγών ισχύος

Σε σύγκριση με το πυρίτιο, η τρέχουσα τεχνολογία κατασκευής περιορίζει τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας του νιτριδίου του γαλλίου και του καρβιδίου του πυριτίου, καθιστώντας και τα δύο υλικά υψηλής ισχύος πιο ακριβά βραχυπρόθεσμα. Ωστόσο, και τα δύο υλικά έχουν ισχυρά πλεονεκτήματα σε συγκεκριμένες εφαρμογές ημιαγωγών.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να είναι ένα πιο αποτελεσματικό προϊόν βραχυπρόθεσμα, διότι είναι ευκολότερο να κατασκευαστεί μεγαλύτερα και πιο ομοιόμορφα γκάφια από το νιτρίδιο του γαλλίου. Με την πάροδο του χρόνου, το νιτρίδιο του γαλλίου θα βρει τη θέση του σε μικρά προϊόντα υψηλής συχνότητας, δεδομένης της υψηλότερης κινητικότητας ηλεκτρονίων του. Το καρβίδιο του πυριτίου θα είναι πιο επιθυμητό σε μεγαλύτερα προϊόντα ισχύος, επειδή οι δυνατότητες ισχύος του είναι υψηλότερες από τη θερμική αγωγιμότητα του νιτριδίου του γαλλίου.

Νιτρίδιο του γαλλίου ανD Συσκευές καρβιδίου πυριτίου ανταγωνίζονται με Silicon Semiconductor (LDMOS) MOSFETs και SuperJunction MOSFETS. Οι συσκευές GAN και SIC είναι παρόμοιες με κάποιους τρόπους, αλλά υπάρχουν επίσης σημαντικές διαφορές.

Εικόνα 1. Η σχέση μεταξύ υψηλής τάσης, υψηλής ρεύματος, συχνότητας μεταγωγής και σημαντικών περιοχών εφαρμογής.

Ευρύτατοι ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί σύνθετων WBG έχουν υψηλότερη κινητικότητα ηλεκτρονίων και υψηλότερη ενέργεια ζώνης, η οποία μεταφράζεται σε ανώτερες ιδιότητες πάνω από το πυρίτιο. Τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται από ημιαγωγούς σύνθετων WBG έχουν υψηλότερες τάσεις διάσπασης και ανοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι συσκευές προσφέρουν πλεονεκτήματα έναντι του πυριτίου σε εφαρμογές υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.

Εικόνα 2. Ένα κύκλωμα Cascade διπλού die-die dual-fet μετατρέπει ένα τρανζίστορ GaN σε μια συσκευή κανονικά, επιτρέποντας τη λειτουργία τυπικής λειτουργίας βελτίωσης σε κυκλώματα μεταγωγής υψηλής ισχύος

Τα τρανζίστορ WBG αλλάζουν επίσης ταχύτερα από το πυρίτιο και μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες. Η χαμηλότερη "αντίσταση" σημαίνει ότι διαλύουν λιγότερη ισχύ, βελτιώνοντας την ενεργειακή απόδοση. Αυτός ο μοναδικός συνδυασμός χαρακτηριστικών καθιστά αυτές τις συσκευές ελκυστικές για μερικά από τα πιο απαιτητικά κυκλώματα σε εφαρμογές αυτοκινήτων, ιδιαίτερα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα.

Τρανζίστορ GaN και SiC για την αντιμετώπιση των προκλήσεων στον ηλεκτρικό εξοπλισμό αυτοκινήτων

Βασικά οφέλη από συσκευές GAN και SIC: δυνατότητα υψηλής τάσης, με συσκευές 650 V, 900 V και 1200 V,

Καρβίδιο πυριτίου:

Υψηλότερα 1700V.3300V και 6500V.

Ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής,

Υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας.

Χαμηλότερα στην αντίσταση, ελάχιστη απόρριψη ισχύος και υψηλότερη ενεργειακή απόδοση.

Συσκευές Και οι δύο

Κατά την εναλλαγή εφαρμογών, προτιμώνται οι συσκευές βελτίωσης (ή λειτουργίας E-mode), οι οποίες συνήθως είναι «απενεργοποιημένες», γεγονός που οδήγησε στην ανάπτυξη συσκευών GaN σε λειτουργία E. Πρώτα ήρθε ο καταρράκτης δύο συσκευών FET (Εικόνα 2). Τώρα, είναι διαθέσιμες οι τυπικές συσκευές e-mode GaN. Μπορούν να αλλάξουν σε συχνότητες έως 10 MHz και επίπεδα ισχύος έως δεκάδες κιλοβάτ.

Οι συσκευές GAN χρησιμοποιούνται ευρέως σε ασύρματο εξοπλισμό ως ενισχυτές ισχύος σε συχνότητες μέχρι 100 GHz. Ορισμένες από τις κύριες περιπτώσεις χρήσης είναι οι ενισχυτές ισχύος του σταθμού κυψελοειδούς βάσης, τα στρατιωτικά ραντάρ, οι δορυφορικοί πομποί και η γενική ενίσχυση RF. Ωστόσο, λόγω της υψηλής τάσης (έως 1.000 V), της υψηλής θερμοκρασίας και της ταχείας μεταγωγής, ενσωματώνονται επίσης σε διάφορες εφαρμογές ισχύος όπως οι μετατροπείς DC-DC, οι μετατροπείς και οι φορτιστές μπαταριών.

Συσκευές SIC

Τα τρανζίστορ SIC είναι φυσικά MOSFETs E-Mode. Αυτές οι συσκευές μπορούν να μεταβούν σε συχνότητες μέχρι 1 MHz και σε επίπεδα τάσης και ρεύματος πολύ υψηλότερα από τα MOSFETs του πυριτίου. Η μέγιστη τάση αποστράγγισης είναι μέχρι περίπου 1.800 V και η ρεύμα είναι 100 αμπέρ. Επιπλέον, οι συσκευές SIC διαθέτουν πολύ χαμηλότερη αντοχή από τα MOSFET του πυριτίου, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη απόδοση σε όλες τις εφαρμογές τροφοδοσίας μεταγωγής (σχέδια SMPS).

Οι συσκευές SiC απαιτούν μια μονάδα με τάση πύλης 18 έως 20 βολτ για να ενεργοποιήσετε τη συσκευή με χαμηλή αντίσταση ενεργοποίησης. Τα τυπικά MOSFET Si απαιτούν λιγότερα από 10 βολτ στην πύλη για να ενεργοποιηθούν πλήρως. Επιπλέον, οι συσκευές SiC απαιτούν μονάδα πύλης -3 έως -5 V για να μεταβούν στην κατάσταση απενεργοποίησης. Οι δυνατότητες υψηλής τάσης και υψηλού ρεύματος των SiC MOSFET τα καθιστούν ιδανικά για κυκλώματα ισχύος αυτοκινήτων.

Σε πολλές εφαρμογές, τα IGBT αντικαθίστανται από συσκευές SiC. Οι συσκευές SiC μπορούν να αλλάζουν σε υψηλότερες συχνότητες, μειώνοντας το μέγεθος και το κόστος των επαγωγέων ή των μετασχηματιστών βελτιώνοντας παράλληλα την απόδοση. Επιπλέον, το SiC μπορεί να χειριστεί υψηλότερα ρεύματα από το GaN.

Υπάρχει ανταγωνισμός μεταξύ συσκευών Gan και SIC, ειδικά Silicon LDMOS MOSFET, Superjunction MOSFETS και IGBTS. Σε πολλές εφαρμογές, αντικαθίστανται από τρανζίστορ GaN και SIC.

Για να συνοψίσουμε τη σύγκριση GaN έναντι SiC, ακολουθούν τα κυριότερα σημεία:

Ο Gan διακόπτει ταχύτερα από το SI.

Το SiC λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις από το GaN.

Το SIC απαιτεί υψηλές τάσεις κίνησης πύλης.

Πολλά κυκλώματα ισχύος και συσκευές μπορούν να βελτιωθούν με το σχεδιασμό με το GAN και το SIC. Ένας από τους μεγαλύτερους δικαιούχους είναι το ηλεκτρικό σύστημα αυτοκινήτων. Τα σύγχρονα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα περιέχουν συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις συσκευές. Ορισμένες από τις δημοφιλείς εφαρμογές είναι OBCs, DC-DC μετατροπείς, κινητήρια κινήσεις και Lidar. Το σχήμα 3 επισημαίνει τα κύρια υποσυστήματα σε ηλεκτρικά οχήματα που απαιτούν τρανζίστορ μεταγωγής υψηλής ισχύος.

Εικόνα 3.  Ενσωματωμένος φορτιστής WBG (OBC) για υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα. Η είσοδος AC διορθώνεται, διορθώνεται ο συντελεστής ισχύος (PFC) και στη συνέχεια μετατρέπεται DC-DC

Μετατροπέας DC-DC. Αυτό είναι ένα κύκλωμα ισχύος που μετατρέπει την υψηλή τάση της μπαταρίας σε χαμηλότερη τάση για τη λειτουργία άλλων ηλεκτρικών συσκευών. Η σημερινή τάση της μπαταρίας κυμαίνεται έως και 600V ή 900V. Ο μετατροπέας DC-DC το μειώνει στα 48 V ή 12 V, ή και στα δύο, για τη λειτουργία άλλων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων (Εικόνα 3). Στα υβριδικά ηλεκτρικά και ηλεκτρικά οχήματα (HEVEV), το DC-DC μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για το δίαυλο υψηλής τάσης μεταξύ της μπαταρίας και του μετατροπέα.

Ενσωματωμένοι φορτιστές (OBC). Τα Plug-in HEVEV και EV περιέχουν έναν εσωτερικό φορτιστή μπαταρίας που μπορεί να συνδεθεί σε τροφοδοτικό AC. Αυτό επιτρέπει τη φόρτιση στο σπίτι χωρίς την ανάγκη εξωτερικού φορτιστή AC−DC (Εικόνα 4).

Κύριος οδηγός κινητήρα κίνησης. Ο κύριος κινητήρας κίνησης είναι ένας κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής απόδοσης που οδηγεί τους τροχούς του οχήματος. Ο οδηγός είναι ένας μετατροπέας που μετατρέπει την τάση της μπαταρίας σε τριφασική AC για να μετατρέψει τον κινητήρα.

Εικόνα 4. Ένας τυπικός μετατροπέας DC-DC χρησιμοποιείται για τη μετατροπή υψηλών τάσεων μπαταρίας σε 12 V ή/και 48 V. Τα IGBT που χρησιμοποιούνται σε γέφυρες υψηλής τάσης αντικαθίστανται από SiC MOSFET.

Τα τρανζίστορ GaN και SiC προσφέρουν στους ηλεκτρικούς σχεδιαστές αυτοκινήτων ευελιξία και απλούστερους σχεδιασμούς καθώς και ανώτερη απόδοση λόγω των χαρακτηριστικών υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος και γρήγορης μεταγωγής.

Η VeTek Semiconductor είναι επαγγελματίας κινέζος κατασκευαστήςΕπικάλυψη καρβιδίου τανταλίου, Επίστρωση καρβιδίου πυριτίου, προϊόντα Και οι δύο, Ειδικός Γραφίτης, Κεραμικά καρβιδίου πυριτίουκαιΆλλα Κεραμικά Ημιαγωγών. Η Vetek Semiconductor δεσμεύεται να παρέχει προηγμένες λύσεις για διάφορα προϊόντα επικάλυψης για τη βιομηχανία ημιαγωγών.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε επιπλέον λεπτομέρειες, μην διστάσετε να έρθετε σε επαφή μαζί μας.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com