Mitä eroa piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN) sovellusten välillä on? - VeTek Semiconductor

SicjaMolemmatkutsutaan "leveä kaistalevy puolijohteet" (WBG). Käytetyn tuotantoprosessin takia WBG -laitteet osoittavat seuraavat edut:

1. Wide Bandgap puolijohteet

Gallium -nitride (GAN)jaPiharbidi (sic)ovat suhteellisen samankaltaisia ​​kaistanlevy- ja hajoamiskentän suhteen. Gallium -nitridin kaistalevy on 3,2 eV, kun taas piikarbidin kaistalevy on 3,4 eV. Vaikka nämä arvot vaikuttavat samanlaisilta, ne ovat huomattavasti korkeammat kuin piin kaistalevy. Piän kaistalevy on vain 1,1 eV, joka on kolme kertaa pienempi kuin galliumnitridi ja piikarbidi. Näiden yhdisteiden korkeammat kaistalevyt sallivat galliumnitridin ja piikarbidin tukemaan mukavasti korkeampia jännitepiiriä, mutta ne eivät voi tukea matalajännitepiiriä, kuten piitä.

2. Jakauma kentän voimakkuus

Gallium -nitridin ja piikarbidin hajoamiskentät ovat suhteellisen samanlaisia. Galliumnitridi, jonka hajoamiskenttä on 3,3 mV/cm ja piiharbidi, joiden hajoamiskenttä on 3,5 mV/cm. Nämä hajoamiskentät antavat yhdisteille mahdollisuuden käsitellä korkeampia jännitteitä huomattavasti paremmin kuin tavallinen pii. Piän jakautumiskenttä on 0,3 mV/cm, mikä tarkoittaa, että Gan ja sic ovat melkein kymmenen kertaa enemmän kykeneviä ylläpitämään korkeampia jännitteitä. Ne kykenevät myös tukemaan alhaisempia jännitteitä käyttämällä huomattavasti pienempiä laitteita.

3. Korkea elektronien liikkuvuustransistori (HEMT)

Merkittävin ero GAN: n ja sic: n välillä on niiden elektronien liikkuvuus, mikä osoittaa, kuinka nopeasti elektronit liikkuvat puolijohdemateriaalin läpi. Ensinnäkin piin elektronien liikkuvuus on 1500 cm^2/vs. GAN: n elektronien liikkuvuus on 2000 cm^2/vs, mikä tarkoittaa, että elektronit liikkuvat yli 30% nopeammin kuin Piilin elektronit. SIC: n elektronien liikkuvuus on kuitenkin 650 cm^2/vs, mikä tarkoittaa, että sicin elektronit liikkuvat hitaammin kuin Ganin ja Si: n elektronit. Tällaisen korkean elektronien liikkuvuuden avulla GAN on melkein kolme kertaa kykenevämpi korkean taajuuden sovelluksiin. Elektronit voivat liikkua GAN -puolijohteiden läpi paljon nopeammin kuin sic.

4. GaN:n ja SiC:n lämmönjohtavuus

Materiaalin lämmönjohtavuus tarkoittaa sen kykyä siirtää lämpöä itsensä läpi. Lämmönjohtavuus vaikuttaa suoraan materiaalin lämpötilaan, kun otetaan huomioon ympäristö, jossa sitä käytetään. Suuritehoisissa sovelluksissa materiaalin tehottomuudesta syntyy lämpöä, joka nostaa materiaalin lämpötilaa ja muuttaa sen sähköisiä ominaisuuksia. GaN:n lämmönjohtavuus on 1,3 W/cmK, mikä on itse asiassa huonompi kuin piin, jonka johtavuus on 1,5 W/cmK. SiC:n lämmönjohtavuus on kuitenkin 5 W/cmK, joten se siirtää lämpökuormia lähes kolme kertaa paremmin. Tämä ominaisuus tekee piikarbidista erittäin edullisen suuritehoisissa ja korkean lämpötilan sovelluksissa.

5. puolijohdekiekkojen valmistusprosessi

Nykyiset valmistusprosessit ovat rajoittava tekijä GAN: lle ja SIC: lle, koska ne ovat kalliimpia, vähemmän tarkempia tai energiaintensiivisempiä kuin laajasti hyväksyttyjen piin valmistusprosessit. Esimerkiksi GAN sisältää suuren määrän kidealueita pienellä alueella. Pii puolestaan ​​voi sisältää vain 100 vikaa neliö senttimetriä kohti. On selvää, että tämä valtava vikavauhti tekee GaN: sta tehottoman. Vaikka valmistajat ovat viime vuosina edistyneet, Gan pyrkii edelleen täyttämään tiukat puolijohdesuunnitteluvaatimukset.

6. Power Semiconductor -markkinat

Piuhaan verrattuna nykyinen valmistustekniikka rajoittaa galliumnitridin ja piikarbidin kustannustehokkuutta, mikä tekee molempia suuritehoisia materiaaleja kalliimpia lyhyellä aikavälillä. Molemmilla materiaaleilla on kuitenkin voimakkaita etuja tietyissä puolijohdesovelluksissa.

Piharbidi voi olla lyhyellä aikavälillä tehokkaampi tuote, koska on helpompaa valmistaa suurempia ja yhtenäisempiä sic -kiekkoja kuin galliumnitridi. Ajan myötä Gallium-nitridi löytää paikkansa pienissä, korkeataajuisissa tuotteissa, kun otetaan huomioon sen korkeampi elektronien liikkuvuus. Piharbidi on toivottavampaa suuremmilla tehotuotteilla, koska sen tehoominaisuudet ovat korkeammat kuin Gallium -nitridin lämmönjohtavuus.

Galliumnitridi jaD Pilarbidilaitteet kilpailevat Piilisemonjorin (LDMOS) MOSFET: ien ja superjunction MOSFET: ien kanssa. GAN- ja SIC -laitteet ovat tietyllä tavalla samanlaisia, mutta myös merkittäviä eroja on.

Kuva 1. Korkean jännitteen, suuren virran, kytkentätaajuuden ja tärkeimpien sovellusalueiden välinen suhde.

Leveä kaistalevy puolijohteet

WBG-yhdistepuolijohteilla on suurempi elektronien liikkuvuus ja suurempi bandgap-energia, mikä tarkoittaa piin ylivertaisia ​​ominaisuuksia. WBG-yhdistepuolijohteista valmistetuilla transistoreilla on korkeammat läpilyöntijännitteet ja korkeiden lämpötilojen sietokyky. Nämä laitteet tarjoavat etuja piihin verrattuna korkeajännitteisissä ja suuritehoisissa sovelluksissa.

Kuva 2. Kaksisuuntainen kaksikerroksinen kaskadipiiri muuntaa GAN-transistorin normaalisti-laitteeksi, mahdollistaen standardin parannusmoodin toiminnan suuritehoisissa kytkentäpiirissä

WBG-transistorit myös kytkeytyvät nopeammin kuin pii ja voivat toimia korkeammilla taajuuksilla. Pienempi "on" vastus tarkoittaa, että ne haihduttavat vähemmän tehoa, mikä parantaa energiatehokkuutta. Tämä ainutlaatuinen ominaisuuksien yhdistelmä tekee näistä laitteista houkuttelevia joihinkin vaativimpiin autoteollisuuden piiriin, erityisesti hybridi- ja sähköajoneuvoihin.

Gan- ja sic -transistorit vastaamaan haasteita autojen sähkölaitteissa

Molemmat- ja SiC-laitteiden tärkeimmät edut: Korkeajännitekyky 650 V, 900 V ja 1200 V laitteilla,

Piikarbidi:

Korkeampi 1700 V.3300V ja 6500 V.

Nopeammat kytkentänopeudet,

Korkeammat käyttölämpötilat.

Pienempi vastus, minimaalinen tehohäviö ja parempi energiatehokkuus.

Gan -laitteet

Kytkentäsovelluksissa parannusmoodin (tai e-moodin) laitteet, jotka ovat yleensä ”pois päältä”, ovat edullisia, mikä johti e-moodin GAN-laitteiden kehittämiseen. Ensin tuli kahden FET -laitteen kaskadi (kuva 2). Nyt on saatavana tavanomaisia ​​e-moodin GAN-laitteita. Ne voivat vaihtaa taajuuksilla jopa 10 MHz ja tehotasot kymmeniin kilowatteihin saakka.

GAN -laitteita käytetään laajasti langattomissa laitteissa tehovahvistimina taajuuksilla jopa 100 GHz: iin. Jotkut pääkäyttötapauksista ovat solujen tukiaseman voimavahvistimet, sotilaalliset tutkat, satelliittilähettimet ja yleinen RF -monistus. Korkean jännitteen (jopa 1000 V), korkean lämpötilan ja nopean kytkentäen vuoksi ne sisällytetään myös erilaisiin kytkentätehoiden sovelluksiin, kuten DC-DC-muuntimiin, inverttereihin ja akkulatureita.

Sic-laitteet

SIC-transistorit ovat luonnollisia e-moodin MOSFET-arvoja. Nämä laitteet voivat vaihtaa taajuuksilla enintään 1 MHz ja jännitteen ja virran tasolla paljon korkeammat kuin piin MOSFET: t. Suurin viemärin lähdejännite on jopa noin 1 800 V, ja virtakyky on 100 ampeeria. Lisäksi SIC-laitteilla on paljon alhaisempi resistenssi kuin piin MOSFET: llä, mikä johtaa suurempaan tehokkuuteen kaikissa kytkentävirtalähteiden sovelluksissa (SMPS-mallit).

SIC-laitteet vaativat 18-20 voltin porttijännitevetoa laitteen kytkemiseksi alhaisella vastustuskyvyllä. Tavalliset Si Mosfets vaatii vähemmän kuin 10 volttia portilla kokonaan kytkemiseksi päälle. Lisäksi sic -laitteet vaativat -3 --5 V: n porttivetosi siirtymiseksi OFF -tilaan. SIC -mosfetsien korkea jännite, korkea virtavirtaominaisuus tekevät niistä ihanteellisia autojen tehopiireihin.

Monissa sovelluksissa IGBT: t korvataan sic -laitteilla. SIC -laitteet voivat vaihtaa korkeammilla taajuuksilla vähentäen induktorien tai muuntajien kokoa ja kustannuksia parantaen samalla tehokkuutta. Lisäksi sic pystyy käsittelemään korkeampia virtauksia kuin GAN.

Molemmat- ja SiC-laitteet, erityisesti pii LDMOS MOSFETit, superliitos-MOSFETit ja IGBT:t, kilpailevat keskenään. Monissa sovelluksissa ne korvataan GaN- ja SiC-transistoreilla.

Yhteenvetona GaN vs. SiC -vertailusta tässä ovat kohokohdat:

Gan kytkee nopeammin kuin Si.

Sic toimii korkeammilla jännitteillä kuin GaN.

Sic vaatii korkean portin käyttöjännitteet.

Monia sähköpiirejä ja laitteita voidaan parantaa suunnittelemalla GAN: n ja sic: n kanssa. Yksi suurimmista edunsaajista on autoteollisuuden sähköjärjestelmä. Nykyaikaiset hybridi- ja sähköajoneuvot sisältävät laitteita, jotka voivat käyttää näitä laitteita. Jotkut suosituista sovelluksista ovat OBC: t, DC-DC-muuntimet, moottorivedet ja Lidar. Kuvio 3 osoittaa tärkeimmät osajärjestelmät sähköajoneuvoissa, jotka vaativat suuren kytkentätransistoreita.

Kuva 3. WBG-laturi (OBC) hybridi- ja sähköajoneuvoille. AC-syöttö on korjattu, tehokerroin korjataan (PFC) ja sitten DC-DC muunnetaan

DC-DC muunnin. Tämä on sähköpiiri, joka muuntaa korkean akkujänniteen pienemmäksi jännitteeksi muiden sähkölaitteiden ajamiseksi. Tämän päivän akkujännite vaihtelee jopa 600 V tai 900 V. DC-DC-muunnin laskee sen arvoon 48 V tai 12 V tai molemmat muiden elektronisten komponenttien toimintaan (kuva 3). Hybridi-sähkö- ja sähköajoneuvoissa (Hevev) DC-DC: tä voidaan käyttää myös akun ja invertterin väliseen korkeajännitebussiin.

Ajoneuvon laturit (OBC). Plug-in HEVEV- ja sähköautot sisältävät sisäisen akkulaturin, joka voidaan liittää verkkovirtaan. Tämä mahdollistaa lataamisen kotona ilman ulkoista AC-DC-laturia (kuva 4).

Pääkäyttöisen moottorin kuljettaja. Pääkäyttömoottori on korkeamuotoinen vaihtovirtamoottori, joka ohjaa ajoneuvon pyöriä. Kuljettaja on invertteri, joka muuntaa akun jännite kolmivaiheiseksi AC: lle moottorin kääntämiseksi.

Kuva 4. Tyypillistä DC-DC-muunninta käytetään muuntamaan korkeat akkujännitteet 12 V:ksi ja/tai 48 V:ksi. Suurjännitesilloissa käytetyt IGBT:t korvataan SiC MOSFETeillä.

Molemmat- ja SiC-transistorit tarjoavat auton sähkösuunnittelijoille joustavuutta ja yksinkertaisempia malleja sekä erinomaisen suorituskyvyn korkean jännitteen, suuren virran ja nopeiden kytkentäominaisuuksiensa ansiosta.

VeTek Semiconductor on ammattimainen kiinalainen valmistajaTantaalikarbidipinnoite, Piikarbidipinnoite, Molemmat tuotteet, Erityinen grafiitti, PiikarbidikeramiikkajaMuu puolijohdekeramiikka. Vetek Semiconductor on sitoutunut tarjoamaan edistyneitä ratkaisuja puolijohdeteollisuuden erilaisille pinnoitustuotteille.

Jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

Sähköposti: anny@veteemiemi.com