Kuo skiriasi silicio karbido (SiC) ir galio nitrido (GaN) aplikacijos? - „VeTek“ puslaidininkis

SiCirGaNvadinami „plačios juostos puslaidininkiais“ (WBG). Dėl naudojamo gamybos proceso WBG įrenginiai turi šiuos privalumus:

1. Plataus diapazono puslaidininkiai

Galio nitridas (GaN)irsilicio karbidas (SiC)yra santykinai panašūs pagal pralaidumą ir suskirstymo lauką. Galio nitrido juostos tarpas yra 3,2 eV, o silicio karbido - 3,4 eV. Nors šios vertės atrodo panašios, jos yra žymiai didesnės nei silicio juostos tarpas. Silicio juostos tarpas yra tik 1,1 eV, o tai yra tris kartus mažesnis nei galio nitrido ir silicio karbido. Didesni šių junginių juostos tarpai leidžia galio nitridui ir silicio karbidui patogiai palaikyti aukštesnės įtampos grandines, tačiau jie negali palaikyti žemos įtampos grandinių, tokių kaip silicis.

2. Suskirstymo lauko stiprumas

Galio nitrido ir silicio karbido skilimo laukai yra santykinai panašūs – galio nitrido skilimo laukas yra 3,3 MV/cm, o silicio karbido – 3,5 MV/cm. Šie suskirstymo laukai leidžia junginiams valdyti didesnę įtampą žymiai geriau nei įprastas silicis. Silicio gedimo laukas yra 0,3 MV/cm, o tai reiškia, kad GaN ir SiC yra beveik dešimt kartų pajėgesni išlaikyti didesnę įtampą. Jie taip pat gali palaikyti žemesnę įtampą naudodami žymiai mažesnius įrenginius.

3. Didelio elektronų mobilumo tranzistorius (HEMT)

Svarbiausias skirtumas tarp GaN ir SiC yra jų elektronų mobilumas, kuris rodo, kaip greitai elektronai juda per puslaidininkinę medžiagą. Pirma, silicio elektronų judrumas yra 1500 cm^2/Vs. GaN elektronų judrumas yra 2000 cm^2/Vs, o tai reiškia, kad elektronai juda daugiau nei 30% greičiau nei silicio elektronai. Tačiau SiC elektronų mobilumas yra 650 cm ^ 2 / Vs, o tai reiškia, kad SiC elektronai juda lėčiau nei GaN ir Si elektronai. Turėdamas tokį didelį elektronų mobilumą, GaN yra beveik tris kartus pajėgesnis aukšto dažnio programoms. Elektronai gali judėti per GaN puslaidininkius daug greičiau nei SiC.

4. GaN ir SiC šilumos laidumas

Medžiagos šilumos laidumas yra jos gebėjimas perduoti šilumą per save. Šilumos laidumas tiesiogiai veikia medžiagos temperatūrą, atsižvelgiant į aplinką, kurioje ji naudojama. Didelės galios atveju dėl medžiagos neefektyvumo susidaro šiluma, dėl kurios pakyla medžiagos temperatūra, o vėliau pasikeičia jos elektrinės savybės. GaN šilumos laidumas yra 1,3 W/cmK, o tai iš tikrųjų yra blogiau nei silicio, kurio laidumas yra 1,5 W/cmK. Tačiau SiC šilumos laidumas yra 5 W/cmK, todėl jis beveik tris kartus geriau perduoda šilumos apkrovas. Dėl šios savybės SiC yra labai naudingas didelės galios, aukštos temperatūros įrenginiuose.

5. Puslaidininkinių plokštelių gamybos procesas

Dabartiniai gamybos procesai yra ribojantis GaN ir SiC veiksnys, nes jie yra brangesni, ne tokie tikslūs arba sunaudoja daugiau energijos nei plačiai naudojami silicio gamybos procesai. Pavyzdžiui, GaN nedideliame plote yra daug kristalų defektų. Kita vertus, silicyje gali būti tik 100 defektų viename kvadratiniame centimetre. Akivaizdu, kad šis didžiulis defektų lygis daro GaN neefektyvų. Nors gamintojai pastaraisiais metais padarė didelę pažangą, GaN vis dar stengiasi įvykdyti griežtus puslaidininkių projektavimo reikalavimus.

6. Galios puslaidininkių rinka

Palyginti su siliciu, dabartinės gamybos technologijos riboja galio nitrido ir silicio karbido ekonominį efektyvumą, todėl abi didelės galios medžiagos per trumpą laiką pabrangsta. Tačiau abi medžiagos turi didelių pranašumų konkrečiose puslaidininkių srityse.

Silicio karbidas gali būti veiksmingesnis produktas trumpuoju laikotarpiu, nes iš jo lengviau pagaminti didesnes ir vienodesnes SiC plokšteles nei iš galio nitrido. Laikui bėgant, galio nitridas ras savo vietą mažuose aukšto dažnio produktuose dėl didesnio elektronų mobilumo. Silicio karbidas bus labiau pageidaujamas didesnio galingumo gaminiuose, nes jo galios galimybės yra didesnės nei galio nitrido šilumos laidumas.

Galio nitridas ird silicio karbido įtaisai konkuruoja su silicio puslaidininkiniais (LDMOS) MOSFET ir superjungtiniais MOSFET. GaN ir SiC įrenginiai tam tikrais atžvilgiais yra panašūs, tačiau yra ir reikšmingų skirtumų.

1 pav. Ryšys tarp aukštos įtampos, didelės srovės, perjungimo dažnio ir pagrindinių taikymo sričių.

Plataus diapazono puslaidininkiai

WBG sudėtiniai puslaidininkiai turi didesnį elektronų mobilumą ir didesnę juostos tarpo energiją, o tai reiškia geresnes silicio savybes. Tranzistoriai, pagaminti iš WBG sudėtinių puslaidininkių, turi didesnę gedimo įtampą ir toleranciją aukštai temperatūrai. Šie įrenginiai turi pranašumų prieš silicį aukštos įtampos ir didelės galios įrenginiuose.

2 pav. Dviejų štampų dviejų FET pakopinė grandinė paverčia GaN tranzistorių į įprastai išjungtą įrenginį, leidžiantį naudoti standartinį patobulinimo režimą didelės galios perjungimo grandinėse

WBG tranzistoriai taip pat persijungia greičiau nei silicio ir gali veikti aukštesniais dažniais. Mažesnis „įjungimo“ pasipriešinimas reiškia, kad jie išsklaido mažiau energijos ir pagerina energijos vartojimo efektyvumą. Dėl šio unikalaus charakteristikų derinio šie įrenginiai patrauklūs kai kurioms reikliausioms automobilių grandinėms, ypač hibridinėms ir elektrinėms transporto priemonėms.

GaN ir SiC tranzistoriai, kad atitiktų automobilių elektros įrangos iššūkius

Pagrindiniai GaN ir SiC įrenginių pranašumai: Galimybė aukštai įtampai su 650 V, 900 V ir 1200 V įrenginiais,

Silicio karbidas:

Didesnis 1700V.3300V ir 6500V.

Didesnis perjungimo greitis,

Aukštesnė darbinė temperatūra.

Mažesnis pasipriešinimas, minimalus energijos išsklaidymas ir didesnis energijos vartojimo efektyvumas.

GaN įrenginiai

Perjungiant programas pirmenybė teikiama patobulinimo režimo (arba E režimo) įrenginiams, kurie paprastai yra „išjungti“, todėl buvo sukurti E-mode GaN įrenginiai. Pirmiausia atsirado dviejų FET įrenginių kaskados (2 pav.). Dabar yra standartiniai e-mode GaN įrenginiai. Jie gali persijungti dažniais iki 10 MHz ir galios lygiais iki dešimčių kilovatų.

GaN įrenginiai plačiai naudojami belaidėje įrangoje kaip galios stiprintuvai iki 100 GHz dažnių. Kai kurie pagrindiniai naudojimo atvejai yra korinio ryšio bazinių stočių galios stiprintuvai, kariniai radarai, palydoviniai siųstuvai ir bendras RF stiprinimas. Tačiau dėl aukštos įtampos (iki 1000 V), aukštos temperatūros ir greito perjungimo jie taip pat naudojami įvairiose perjungimo galios programose, tokiose kaip DC-DC keitikliai, inverteriai ir akumuliatorių įkrovikliai.

SiC įrenginiai

SiC tranzistoriai yra natūralūs E režimo MOSFET. Šie įrenginiai gali persijungti iki 1 MHz dažniais, o įtampa ir srovės lygis yra daug didesnis nei silicio MOSFET. Didžiausia išleidimo šaltinio įtampa yra iki maždaug 1800 V, o srovės galia yra 100 amperų. Be to, SiC įrenginių atsparumas įjungimui yra daug mažesnis nei silicio MOSFET, todėl yra didesnis efektyvumas visose perjungiamojo maitinimo šaltinio programose (SMPS konstrukcijos).

SiC įrenginiams reikalinga 18–20 voltų vartų įtampos pavara, kad prietaisas būtų įjungtas su maža varža. Norint visiškai įjungti standartinius Si MOSFET, prie vartų reikia mažiau nei 10 voltų. Be to, SiC įrenginiams reikia nuo -3 iki -5 V vartų pavaros, kad jie būtų išjungti. Dėl aukštos įtampos ir didelės srovės SiC MOSFET jie idealiai tinka automobilių maitinimo grandinėms.

Daugelyje programų IGBT pakeičiami SiC įrenginiais. SiC įrenginiai gali persijungti aukštesniu dažniu, sumažindami induktorių ar transformatorių dydį ir kainą, kartu pagerindami efektyvumą. Be to, SiC gali valdyti didesnes sroves nei GaN.

Yra konkurencija tarp GaN ir SiC įrenginių, ypač silicio LDMOS MOSFET, supersandario MOSFET ir IGBT. Daugelyje programų jie pakeičiami GaN ir SiC tranzistoriais.

Apibendrinant GaN ir SiC palyginimą, pateikiame svarbiausius dalykus:

GaN persijungia greičiau nei Si.

SiC veikia esant aukštesnei įtampai nei GaN.

SiC reikia didelės vartų pavaros įtampos.

Daugelį maitinimo grandinių ir įrenginių galima patobulinti projektuojant naudojant GaN ir SiC. Vienas didžiausių naudos gavėjų yra automobilių elektros sistema. Šiuolaikinėse hibridinėse ir elektrinėse transporto priemonėse yra įrenginių, galinčių naudoti šiuos įrenginius. Kai kurios populiarios programos yra OBC, DC-DC keitikliai, variklio pavaros ir LiDAR. 3 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai elektromobilių posistemiai, kuriems reikia didelės galios perjungiamųjų tranzistorių.

3 pav. WBG integruotas įkroviklis (OBC), skirtas hibridinėms ir elektrinėms transporto priemonėms. Kintamosios srovės įvestis ištaisoma, pataisoma galios koeficientas (PFC), o tada konvertuojama DC-DC

DC-DC keitiklis. Tai maitinimo grandinė, kuri paverčia aukštą akumuliatoriaus įtampą į žemesnę, kad galėtų veikti kiti elektros prietaisai. Šiandienos akumuliatoriaus įtampa svyruoja iki 600 V arba 900 V. DC-DC keitiklis sumažina jį iki 48 V arba 12 V arba abiejų, kad veiktų kiti elektroniniai komponentai (3 pav.). Hibridinėse elektrinėse ir elektrinėse transporto priemonėse (HEVEV) DC-DC taip pat gali būti naudojama aukštos įtampos magistralei tarp akumuliatoriaus bloko ir keitiklio.

Integruoti įkrovikliai (OBC). Kištukiniuose HEVEV ir EV yra vidinis akumuliatoriaus įkroviklis, kurį galima prijungti prie kintamosios srovės maitinimo šaltinio. Tai leidžia įkrauti namuose be išorinio AC–DC įkroviklio (4 pav.).

Pagrindinės pavaros variklio vairuotojas. Pagrindinis varomasis variklis yra didelės galios kintamosios srovės variklis, varantis transporto priemonės ratus. Vairuotojas yra keitiklis, kuris paverčia akumuliatoriaus įtampą į trifazę kintamąją srovę, kad pasuktų variklį.

4 pav. Tipiškas DC-DC keitiklis naudojamas aukštai akumuliatoriaus įtampai paversti į 12 V ir (arba) 48 V. Aukštos įtampos tiltuose naudojami IGBT pakeičiami SiC MOSFET.

GaN ir SiC tranzistoriai automobilių elektros dizaineriams siūlo lankstumą ir paprastesnį dizainą, taip pat puikų našumą dėl aukštos įtampos, didelės srovės ir greito perjungimo charakteristikų.

VeTek Semiconductor yra profesionalus Kinijos gamintojasTantalo karbido danga, Silicio karbido danga, GaN produktai, Specialus grafitas, Silicio karbido keramikairKita puslaidininkinė keramika. „VeTek Semiconductor“ yra įsipareigojusi teikti pažangius sprendimus įvairiems puslaidininkių pramonės dangos produktams.

Jei turite kokių nors klausimų ar reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

paštas: anny@veteksemi.com