Hvad er forskellen mellem siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) applikationer? - VeTek Semiconductor

SiCogGaNomtales som "wide bandgap semiconductors" (WBG). På grund af den anvendte produktionsproces viser WBG-enheder følgende fordele:

1. Bredt båndgap halvledere

Galliumnitrid (GaN)ogsiliciumcarbid (SiC)er relativt ens med hensyn til båndgab og nedbrydningsfelt. Båndgabet for galliumnitrid er 3,2 eV, mens båndgabet for siliciumcarbid er 3,4 eV. Selvom disse værdier ser ens ud, er de betydeligt højere end båndgabet for silicium. Båndafstanden for silicium er kun 1,1 eV, hvilket er tre gange mindre end for galliumnitrid og siliciumcarbid. De højere båndgab af disse forbindelser tillader galliumnitrid og siliciumcarbid komfortabelt at understøtte højere spændingskredsløb, men de kan ikke understøtte lavspændingskredsløb som silicium.

2. Nedbrydning Feltstyrke

Nedbrydningsfelterne for galliumnitrid og siliciumcarbid er relativt ens, hvor galliumnitrid har et nedbrydningsfelt på 3,3 MV/cm og siliciumcarbid har et nedbrydningsfelt på 3,5 MV/cm. Disse nedbrydningsfelter gør det muligt for forbindelserne at håndtere højere spændinger væsentligt bedre end almindeligt silicium. Silicium har et nedbrydningsfelt på 0,3 MV/cm, hvilket betyder, at GaN og SiC er næsten ti gange bedre i stand til at opretholde højere spændinger. De er også i stand til at understøtte lavere spændinger ved brug af væsentligt mindre enheder.

3. High Electron Mobility Transistor (HEMT)

Den væsentligste forskel mellem GaN og SiC er deres elektronmobilitet, som angiver, hvor hurtigt elektroner bevæger sig gennem halvledermaterialet. For det første har silicium en elektronmobilitet på 1500 cm^2/Vs. GaN har en elektronmobilitet på 2000 cm^2/Vs, hvilket betyder, at elektroner bevæger sig mere end 30% hurtigere end siliciums elektroner. SiC har dog en elektronmobilitet på 650 cm^2/Vs, hvilket betyder, at SiC's elektroner bevæger sig langsommere end GaN og Si's elektroner. Med så høj en elektronmobilitet er GaN næsten tre gange bedre i stand til højfrekvente applikationer. Elektroner kan bevæge sig gennem GaN-halvledere meget hurtigere end SiC.

4. Termisk ledningsevne af GaN og SiC

Et materiales varmeledningsevne er dets evne til at overføre varme gennem sig selv. Termisk ledningsevne påvirker direkte temperaturen af ​​et materiale, givet det miljø, det bruges i. I højeffektapplikationer genererer materialets ineffektivitet varme, som hæver materialets temperatur og efterfølgende ændrer dets elektriske egenskaber. GaN har en termisk ledningsevne på 1,3 W/cmK, hvilket faktisk er dårligere end silicium, som har en ledningsevne på 1,5 W/cmK. SiC har dog en termisk ledningsevne på 5 W/cmK, hvilket gør den næsten tre gange bedre til at overføre varmebelastninger. Denne egenskab gør SiC yderst fordelagtig i højeffekt- og højtemperaturapplikationer.

5. Fremstillingsproces for halvlederwafer

Nuværende fremstillingsprocesser er en begrænsende faktor for GaN og SiC, fordi de er dyrere, mindre præcise eller mere energikrævende end de almindeligt anvendte siliciumfremstillingsprocesser. For eksempel indeholder GaN et stort antal krystaldefekter over et lille område. Silicium kan derimod kun indeholde 100 fejl per kvadratcentimeter. Det er klart, at denne enorme defektrate gør GaN ineffektiv. Mens producenterne har gjort store fremskridt i de seneste år, kæmper GaN stadig for at opfylde de strenge krav til halvlederdesign.

6. Power Semiconductor Market

Sammenlignet med silicium begrænser den nuværende produktionsteknologi omkostningseffektiviteten af ​​galliumnitrid og siliciumcarbid, hvilket gør begge højeffektmaterialer dyrere på kort sigt. Begge materialer har dog stærke fordele i specifikke halvlederapplikationer.

Siliciumcarbid kan være et mere effektivt produkt på kort sigt, fordi det er lettere at fremstille større og mere ensartede SiC-skiver end galliumnitrid. Over tid vil galliumnitrid finde sin plads i små, højfrekvente produkter på grund af dets højere elektronmobilitet. Siliciumcarbid vil være mere ønskværdigt i større kraftprodukter, fordi dets kraftkapacitet er højere end galliumnitrids termiske ledningsevne.

Galliumnitrid end siliciumcarbidenheder konkurrerer med siliciumhalvleder (LDMOS) MOSFET'er og superjunction MOSFET'er. GaN- og SiC-enheder ligner på nogle måder, men der er også betydelige forskelle.

Figur 1. Forholdet mellem højspænding, høj strøm, koblingsfrekvens og større anvendelsesområder.

Bredt båndgap halvledere

WBG-sammensatte halvledere har højere elektronmobilitet og højere båndgab-energi, hvilket udmønter sig i overlegne egenskaber i forhold til silicium. Transistorer lavet af WBG sammensatte halvledere har højere gennembrudsspændinger og tolerance over for høje temperaturer. Disse enheder tilbyder fordele i forhold til silicium i højspændings- og højeffektapplikationer.

Figur 2. Et dual-die dual-FET-kaskadekredsløb konverterer en GaN-transistor til en normalt slukket enhed, hvilket muliggør standardforbedringstilstandsdrift i højeffektskoblingskredsløb

WBG-transistorer skifter også hurtigere end silicium og kan fungere ved højere frekvenser. Lavere "on"-modstand betyder, at de spreder mindre strøm, hvilket forbedrer energieffektiviteten. Denne unikke kombination af egenskaber gør disse enheder attraktive for nogle af de mest krævende kredsløb i bilindustrien, især hybrid- og elektriske køretøjer.

GaN- og SiC-transistorer til at imødegå udfordringer inden for elektrisk udstyr til biler

Vigtigste fordele ved GaN- og SiC-enheder: Højspændingskapacitet med 650 V, 900 V og 1200 V-enheder,

Siliciumcarbid:

Højere 1700V.3300V og 6500V.

Hurtigere skiftehastigheder,

Højere driftstemperaturer.

Lavere modstand, minimal effekttab og højere energieffektivitet.

GaN-enheder

Ved skift af applikationer foretrækkes enhancement-mode (eller E-mode) enheder, som normalt er "off", hvilket førte til udviklingen af ​​E-mode GaN-enheder. Først kom kaskaden af ​​to FET-enheder (figur 2). Nu er standard e-mode GaN-enheder tilgængelige. De kan skifte ved frekvenser op til 10 MHz og effektniveauer op til snesevis af kilowatt.

GaN-enheder er meget udbredt i trådløst udstyr som effektforstærkere ved frekvenser op til 100 GHz. Nogle af de vigtigste anvendelsestilfælde er cellulære basestations effektforstærkere, militærradarer, satellitsendere og generel RF-forstærkning. Men på grund af høj spænding (op til 1.000 V), høj temperatur og hurtig omskiftning, er de også indbygget i forskellige switching power applikationer såsom DC-DC konvertere, invertere og batteriopladere.

SiC-enheder

SiC-transistorer er naturlige E-mode MOSFET'er. Disse enheder kan skifte ved frekvenser op til 1 MHz og ved spændings- og strømniveauer meget højere end silicium MOSFET'er. Maksimal drænkildespænding er op til omkring 1.800 V, og strømkapaciteten er 100 ampere. Derudover har SiC-enheder en meget lavere on-modstand end silicium MOSFET'er, hvilket resulterer i højere effektivitet i alle switching power supply applikationer (SMPS designs).

SiC-enheder kræver et gate-spændingsdrev på 18 til 20 volt for at tænde enheden med lav on-modstand. Standard Si MOSFET'er kræver mindre end 10 volt ved porten for at tænde helt. Derudover kræver SiC-enheder et -3 til -5 V gate-drev for at skifte til slukket tilstand. SiC MOSFET's højspændings- og højstrømskapacitet gør dem ideelle til strømkredsløb i biler.

I mange applikationer bliver IGBT'er erstattet af SiC-enheder. SiC-enheder kan skifte ved højere frekvenser, hvilket reducerer størrelsen og omkostningerne ved induktorer eller transformere, mens effektiviteten forbedres. Derudover kan SiC håndtere højere strømme end GaN.

Der er konkurrence mellem GaN og SiC enheder, især silicium LDMOS MOSFET'er, superjunction MOSFET'er og IGBT'er. I mange applikationer bliver de erstattet af GaN- og SiC-transistorer.

For at opsummere sammenligningen mellem GaN og SiC er her højdepunkterne:

GaN skifter hurtigere end Si.

SiC fungerer ved højere spændinger end GaN.

SiC kræver høje gate-drivspændinger.

Mange strømkredsløb og enheder kan forbedres ved at designe med GaN og SiC. En af de største fordele er bilernes elektriske system. Moderne hybrid- og elektriske køretøjer indeholder enheder, der kan bruge disse enheder. Nogle af de populære applikationer er OBC'er, DC-DC-konvertere, motordrev og LiDAR. Figur 3 påpeger de vigtigste delsystemer i elektriske køretøjer, der kræver højeffekt switching transistorer.

Figur 3.  WBG indbygget oplader (OBC) til hybrid- og elbiler. AC-indgangen ensrettes, effektfaktor korrigeres (PFC) og derefter DC-DC konverteres

DC-DC konverter. Dette er et strømkredsløb, der konverterer den høje batterispænding til en lavere spænding for at drive andre elektriske enheder. Dagens batterispænding rækker op til 600V eller 900V. DC-DC-konverteren trapper den ned til 48V eller 12V, eller begge dele, til drift af andre elektroniske komponenter (Figur 3). I hybride elektriske og elektriske køretøjer (HEVEV'er) kan DC-DC også bruges til højspændingsbussen mellem batteripakken og inverteren.

Indbyggede opladere (OBC'er). Plug-in HEVEV'er og EV'er indeholder en intern batterioplader, der kan tilsluttes en vekselstrømsforsyning. Dette muliggør opladning derhjemme uden behov for en ekstern AC−DC-oplader (Figur 4).

Driver til hoveddrevet motor. Hoveddrivmotoren er en AC-motor med høj output, der driver køretøjets hjul. Driveren er en inverter, der konverterer batterispændingen til trefaset AC for at dreje motoren.

Figur 4. En typisk DC-DC-konverter bruges til at konvertere høje batterispændinger til 12 V og/eller 48 V. IGBT'er, der bruges i højspændingsbroer, erstattes af SiC MOSFET'er.

GaN- og SiC-transistorer tilbyder elektriske bildesignere fleksibilitet og enklere design samt overlegen ydeevne på grund af deres højspænding, høje strømstyrke og hurtige koblingsegenskaber.

VeTek Semiconductor er en professionel kinesisk producent afTantalcarbid belægning, Siliciumcarbid belægning, GaN produkter, Speciel grafit, Siliciumcarbid keramikogAnden halvlederkeramik. VeTek Semiconductor er forpligtet til at levere avancerede løsninger til forskellige belægningsprodukter til halvlederindustrien.

Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com