Која е разликата помеѓу апликациите на силициум карбид (SiC) и галиум нитрид (GaN)? - Полупроводник VeTek

SiCиGaNсе нарекуваат „полупроводници со широк опсег“ (WBG). Поради користениот производствен процес, уредите WBG ги покажуваат следните предности:

1. Полупроводници со широк опсег

Галиум нитрид (GaN)исилициум карбид (SiC)се релативно слични во однос на бендот и полето на дефект. Појасот на галиум нитрид е 3,2 eV, додека пропустот на силициум карбид е 3,4 eV. Иако овие вредности изгледаат слични, тие се значително повисоки од бендот на силиконот. Појасот на силициумот е само 1,1 eV, што е три пати помало од оној на галиум нитрид и силициум карбид. Повисоките процепи на овие соединенија овозможуваат галиум нитрид и силициум карбид удобно да поддржуваат кола со повисок напон, но тие не можат да поддржат нисконапонски кола како силициумот.

2. Јачина на полето на дефект

Полињата на распаѓање на галиум нитрид и силициум карбид се релативно слични, при што галиум нитрид има поле на распаѓање од 3,3 MV/cm и силициум карбид со поле на распаѓање од 3,5 MV/cm. Овие полиња на распаѓање им овозможуваат на соединенијата значително подобро да се справат со повисоки напони од обичниот силициум. Силиконот има поле на распаѓање од 0,3 MV/cm, што значи дека GaN и SiC се речиси десет пати поспособни да издржат повисоки напони. Тие исто така можат да поддржат помали напони користејќи значително помали уреди.

3. Транзистор со висока електронска мобилност (HEMT)

Најзначајната разлика помеѓу GaN и SiC е нивната подвижност на електроните, што покажува колку брзо електроните се движат низ полупроводничкиот материјал. Прво, силиконот има мобилност на електрони од 1500 cm^2/Vs. GaN има мобилност на електрони од 2000 cm^2/Vs, што значи дека електроните се движат повеќе од 30% побрзо од електроните на силициумот. Сепак, SiC има подвижност на електрони од 650 cm^2/Vs, што значи дека електроните на SiC се движат побавно од електроните на GaN и Si. Со таква висока мобилност на електрони, GaN е речиси три пати поспособен за апликации со висока фреквенција. Електроните можат да се движат низ GaN полупроводниците многу побрзо од SiC.

4. Топлинска спроводливост на GaN и SiC

Топлинската спроводливост на материјалот е неговата способност да пренесува топлина преку себе. Топлинската спроводливост директно влијае на температурата на материјалот, со оглед на околината во која се користи. Во апликациите со висока моќност, неефикасноста на материјалот генерира топлина, што ја зголемува температурата на материјалот и последователно ги менува неговите електрични својства. GaN има топлинска спроводливост од 1,3 W/cmK, што е всушност полошо од онаа на силиконот, кој има спроводливост од 1,5 W/cmK. Сепак, SiC има топлинска спроводливост од 5 W/cmK, што го прави речиси три пати подобар во пренесувањето на топлинските оптоварувања. Ова својство го прави SiC многу поволен при апликации со висока моќност и висока температура.

5. Процес на производство на нафора со полупроводници

Тековните производни процеси се ограничувачки фактор за GaN и SiC бидејќи тие се поскапи, помалку прецизни или поенергетски интензивни од широко прифатените процеси на производство на силикон. На пример, GaN содржи голем број кристални дефекти на мала површина. Од друга страна, силиконот може да содржи само 100 дефекти на квадратен сантиметар. Очигледно, оваа огромна стапка на дефекти го прави GaN неефикасен. Додека производителите направија голем напредок во последниве години, GaN сè уште се бори да ги исполни строгите барања за дизајн на полупроводници.

6. Пазар на енергетски полупроводници

Во споредба со силициумот, сегашната технологија на производство ја ограничува исплатливоста на галиум нитрид и силициум карбид, што ги прави и двата високо-моќни материјали поскапи на краток рок. Сепак, двата материјали имаат силни предности во специфичните полупроводнички апликации.

Силициум карбид може да биде поефективен производ на краток рок бидејќи е полесно да се произведуваат поголеми и подеднакви SiC обланди од галиум нитрид. Со текот на времето, галиум нитридот ќе го најде своето место во мали производи со висока фреквенција со оглед на неговата поголема подвижност на електроните. Силициум карбид ќе биде попосакуван кај производите со поголема моќност бидејќи неговите моќни способности се повисоки од топлинската спроводливост на галиум нитрид.

Галиум нитрид and уредите со силициум карбид се натпреваруваат со силиконски полупроводнички (LDMOS) MOSFET и суперспојувачки MOSFET. GaN и SiC уредите се слични на некој начин, но има и значителни разлики.

Слика 1. Односот помеѓу висок напон, висока струја, фреквенција на префрлување и главните области на примена.

Полупроводници со широк опсег

Полупроводниците со соединение WBG имаат поголема подвижност на електроните и поголема енергија на бендот, што се претвора во супериорни својства во однос на силициумот. Транзисторите направени од полупроводници со соединение WBG имаат поголем пробивен напон и толеранција на високи температури. Овие уреди нудат предности во однос на силиконот во апликациите со висок напон и висока моќност.

Слика 2. Каскадно коло со двоен FET со двојна матрица конвертира GaN транзистор во уред кој обично се исклучува, овозможувајќи стандардна работа во режим на подобрување во преклопни кола со висока моќност

Транзисторите WBG исто така се префрлаат побрзо од силиконот и можат да работат на повисоки фреквенции. Помал отпор „вклучен“ значи дека тие трошат помалку енергија, подобрувајќи ја енергетската ефикасност. Оваа уникатна комбинација на карактеристики ги прави овие уреди привлечни за некои од најсложените кола во автомобилските апликации, особено за хибридните и електричните возила.

Транзистори GaN и SiC за да одговорат на предизвиците во автомобилската електрична опрема

Клучни придобивки од уредите GaN и SiC: способност за висок напон, со уреди од 650 V, 900 V и 1200 V,

Силициум карбид:

Повисоки 1700V.3300V и 6500V.

Побрзи брзини на префрлување,

Повисоки работни температури.

Помал отпор, минимална дисипација на енергија и поголема енергетска ефикасност.

GaN уреди

При префрлување на апликациите, се претпочитаат уредите во режим на подобрување (или Е-режим), кои обично се „исклучени“, што доведе до развој на уредите GaN со е-режим. Прво дојде каскадата од два FET уреди (Слика 2). Сега се достапни стандардни GaN уреди со е-режим. Тие можат да се префрлаат на фреквенции до 10 MHz и нивоа на моќност до десетици киловати.

GaN уредите се широко користени во безжичната опрема како засилувачи на моќност на фреквенции до 100 GHz. Некои од главните случаи на употреба се засилувачи на моќност на мобилната базна станица, воени радари, сателитски предаватели и општо RF засилување. Меѓутоа, поради високиот напон (до 1.000 V), високата температура и брзото префрлување, тие исто така се вградени во различни апликации за префрлување на енергија како што се DC-DC конвертори, инвертери и полначи за батерии.

SiC уреди

SiC транзисторите се природни MOSFET-ови во е-режим. Овие уреди можат да се префрлаат на фреквенции до 1 MHz и на нивоа на напон и струја многу повисоки од силиконските MOSFET. Максималниот напон на одводниот извор е до околу 1.800 V, а струјната способност е 100 ампери. Дополнително, уредите SiC имаат многу помал отпор на вклучување од силиконските MOSFET, што резултира со поголема ефикасност во сите апликации за префрлување напојување (SMPS дизајни).

Уредите на SiC бараат напонски погон од 18 до 20 волти за да го вклучат уредот со мал отпор на вклучување. Стандардните Si MOSFET бараат помалку од 10 волти на портата за целосно вклучување. Дополнително, уредите SiC бараат погон од -3 до -5 V за да се префрлат во исклучена состојба. Способностите за висок напон и висока струја на SiC MOSFET-овите ги прават идеални за кола за напојување на автомобилот.

Во многу апликации, IGBT се заменуваат со SiC уреди. SiC уредите можат да се префрлаат на повисоки фреквенции, намалувајќи ја големината и цената на индукторите или трансформаторите додека ја подобруваат ефикасноста. Дополнително, SiC може да се справи со повисоки струи од GaN.

Постои конкуренција помеѓу GaN и SiC уредите, особено силиконските LDMOS MOSFET, superjunction MOSFET и IGBT. Во многу апликации, тие се заменуваат со транзистори GaN и SiC.

За да ја сумираме споредбата GaN наспроти SiC, еве ги главните моменти:

GaN се префрла побрзо од Si.

SiC работи на повисоки напони од GaN.

SiC бара високи погонски напони на портата.

Многу струјни кола и уреди може да се подобрат со дизајнирање со GaN и SiC. Еден од најголемите корисници е автомобилскиот електричен систем. Современите хибридни и електрични возила содржат уреди кои можат да ги користат овие уреди. Некои од популарните апликации се OBC, DC-DC конвертори, моторни погони и LiDAR. Слика 3 ги посочува главните потсистеми во електричните возила кои бараат преклопни транзистори со голема моќност.

Слика 3. Вграден полнач WBG (OBC) за хибридни и електрични возила. Влезот за наизменична струја се коригира, факторот на моќност се коригира (PFC), а потоа се претвора DC-DC

DC-DC конвертор. Ова е коло за напојување кое го претвора високиот напон на батеријата во помал напон за да работи други електрични уреди. Денешниот напон на батеријата се движи до 600V или 900V. DC-DC конверторот го намалува на 48V или 12V, или и двете, за работа на други електронски компоненти (Слика 3). Во хибридните електрични и електрични возила (HEVEVs), DC-DC може да се користи и за високонапонскиот автобус помеѓу батерискиот пакет и инверторот.

Внатрешни полначи (OBC). Вклучените HEVEV и EV содржат внатрешен полнач за батерии што може да се поврзе со напојување со наизменична струја. Ова овозможува полнење дома без потреба од надворешен AC−DC полнач (Слика 4).

Возач на моторот на главниот погон. Главниот погонски мотор е мотор со наизменична струја со висока моќност што ги придвижува тркалата на возилото. Возачот е инвертер кој го претвора напонот на батеријата во трифазен наизменичен наизменичен наизменичен наизменичен за да го сврти моторот.

Слика 4. Типичен DC-DC конвертор се користи за конвертирање на високи напони на батеријата во 12 V и/или 48 V. IGBT што се користат во високонапонските мостови се заменуваат со SiC MOSFET.

Транзисторите GaN и SiC им нудат флексибилност на електричните дизајнери на автомобили и поедноставни дизајни, како и супериорни перформанси поради нивните карактеристики на висок напон, висока струја и брзо префрлување.

VeTek Semiconductor е професионален кинески производител наТантал карбид облога, Силикон карбид слој, GaN производи, Специјален графит, Керамика од силикон карбидиДруга полупроводничка керамика. VeTek Semiconductor е посветен на обезбедување напредни решенија за различни производи за обложување за индустријата за полупроводници.

Ако имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Е-пошта: anny@veteksemi.com