Apakah perbezaan antara aplikasi silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN)? - Semikonduktor VeTek

SiCdanGaNdirujuk sebagai "separa konduktor celah jalur lebar" (WBG). Disebabkan oleh proses pengeluaran yang digunakan, peranti WBG menunjukkan kelebihan berikut:

1. Semikonduktor Celah Jalur Lebar

Galium nitrida (GaN)dansilikon karbida (SiC)adalah agak serupa dari segi jurang jalur dan medan pecahan. Celah jalur bagi galium nitrida ialah 3.2 eV, manakala celah jalur silikon karbida ialah 3.4 eV. Walaupun nilai ini kelihatan serupa, mereka jauh lebih tinggi daripada jurang jalur silikon. Celah jalur silikon hanya 1.1 eV, iaitu tiga kali lebih kecil daripada galium nitrida dan silikon karbida. Celah jalur yang lebih tinggi bagi sebatian ini membolehkan galium nitrida dan silikon karbida menyokong litar voltan yang lebih tinggi dengan selesa, tetapi mereka tidak dapat menyokong litar voltan rendah seperti silikon.

2. Kekuatan Medan Pecahan

Medan pecahan galium nitrida dan silikon karbida adalah agak serupa, dengan galium nitrida mempunyai medan pecahan 3.3 MV/cm dan silikon karbida mempunyai medan pecahan 3.5 MV/cm. Medan pecahan ini membolehkan sebatian mengendalikan voltan yang lebih tinggi dengan ketara lebih baik daripada silikon biasa. Silikon mempunyai medan pecahan 0.3 MV/cm, yang bermaksud GaN dan SiC hampir sepuluh kali lebih berkemampuan untuk mengekalkan voltan yang lebih tinggi. Mereka juga mampu menyokong voltan yang lebih rendah menggunakan peranti yang jauh lebih kecil.

3. Transistor Mobiliti Elektron Tinggi (HEMT)

Perbezaan paling ketara antara GaN dan SiC ialah mobiliti elektron mereka, yang menunjukkan betapa pantas elektron bergerak melalui bahan semikonduktor. Pertama, silikon mempunyai mobiliti elektron 1500 cm^2/Vs. GaN mempunyai mobiliti elektron 2000 cm^2/Vs, yang bermaksud bahawa elektron bergerak lebih daripada 30% lebih cepat daripada elektron silikon. Walau bagaimanapun, SiC mempunyai mobiliti elektron 650 cm^2/Vs, yang bermaksud bahawa elektron SiC bergerak lebih perlahan daripada elektron GaN dan Si. Dengan mobiliti elektron yang tinggi, GaN hampir tiga kali lebih berkebolehan untuk aplikasi frekuensi tinggi. Elektron boleh bergerak melalui semikonduktor GaN lebih cepat daripada SiC.

4. Kekonduksian Terma GaN dan SiC

Kekonduksian terma sesuatu bahan ialah keupayaannya untuk memindahkan haba melalui dirinya sendiri. Kekonduksian terma secara langsung mempengaruhi suhu bahan, memandangkan persekitaran di mana ia digunakan. Dalam aplikasi berkuasa tinggi, ketidakcekapan bahan menjana haba, yang meningkatkan suhu bahan dan seterusnya mengubah sifat elektriknya. GaN mempunyai kekonduksian terma 1.3 W/cmK, yang sebenarnya lebih buruk daripada silikon, yang mempunyai kekonduksian 1.5 W/cmK. Walau bagaimanapun, SiC mempunyai kekonduksian terma 5 W/cmK, menjadikannya hampir tiga kali lebih baik dalam memindahkan beban haba. Sifat ini menjadikan SiC sangat berfaedah dalam aplikasi berkuasa tinggi dan suhu tinggi.

5. Proses Pengilangan Wafer Semikonduktor

Proses pembuatan semasa adalah faktor pengehad untuk GaN dan SiC kerana ia lebih mahal, kurang tepat atau lebih intensif tenaga daripada proses pembuatan silikon yang diterima pakai secara meluas. Sebagai contoh, GaN mengandungi sejumlah besar kecacatan kristal di kawasan yang kecil. Silikon, sebaliknya, hanya boleh mengandungi 100 kecacatan setiap sentimeter persegi. Jelas sekali, kadar kecacatan yang besar ini menjadikan GaN tidak cekap. Walaupun pengeluar telah mencapai kemajuan yang besar dalam beberapa tahun kebelakangan ini, GaN masih bergelut untuk memenuhi keperluan reka bentuk semikonduktor yang ketat.

6. Pasaran Semikonduktor Kuasa

Berbanding dengan silikon, teknologi pembuatan semasa mengehadkan keberkesanan kos galium nitrida dan silikon karbida, menjadikan kedua-dua bahan berkuasa tinggi lebih mahal dalam jangka pendek. Walau bagaimanapun, kedua-dua bahan mempunyai kelebihan yang kuat dalam aplikasi semikonduktor tertentu.

Silikon karbida mungkin merupakan produk yang lebih berkesan dalam jangka pendek kerana lebih mudah untuk mengeluarkan wafer SiC yang lebih besar dan lebih seragam daripada galium nitrida. Lama kelamaan, galium nitrida akan mendapat tempatnya dalam produk kecil frekuensi tinggi memandangkan mobiliti elektronnya yang lebih tinggi. Silikon karbida akan lebih diingini dalam produk kuasa yang lebih besar kerana keupayaan kuasanya lebih tinggi daripada kekonduksian terma galium nitrida.

Galium nitrida and peranti silikon karbida bersaing dengan MOSFET semikonduktor silikon (LDMOS) dan MOSFET superjunction. Peranti GaN dan SiC adalah serupa dalam beberapa cara, tetapi terdapat juga perbezaan yang ketara.

Rajah 1. Hubungan antara voltan tinggi, arus tinggi, frekuensi pensuisan dan kawasan aplikasi utama.

Semikonduktor Jurang Jalur Lebar

Semikonduktor kompaun WBG mempunyai mobiliti elektron yang lebih tinggi dan tenaga celah jalur yang lebih tinggi, yang diterjemahkan kepada sifat unggul berbanding silikon. Transistor yang diperbuat daripada semikonduktor sebatian WBG mempunyai voltan pecahan yang lebih tinggi dan toleransi kepada suhu tinggi. Peranti ini menawarkan kelebihan berbanding silikon dalam aplikasi voltan tinggi dan berkuasa tinggi.

Rajah 2. Litar lata dwi-die dwi-FET menukar transistor GaN kepada peranti yang dimatikan secara normal, membolehkan operasi mod peningkatan standard dalam litar pensuisan kuasa tinggi

Transistor WBG juga bertukar lebih cepat daripada silikon dan boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Rintangan "hidup" yang lebih rendah bermakna ia mengurangkan kuasa, meningkatkan kecekapan tenaga. Gabungan ciri unik ini menjadikan peranti ini menarik untuk beberapa litar yang paling mencabar dalam aplikasi automotif, terutamanya kenderaan hibrid dan elektrik.

Transistor GaN dan SiC untuk menghadapi cabaran dalam peralatan elektrik automotif

Faedah utama peranti GaN dan SiC: Keupayaan voltan tinggi, dengan peranti 650 V, 900 V dan 1200 V,

Silikon karbida:

1700V.3300V dan 6500V yang lebih tinggi.

Kelajuan pensuisan yang lebih pantas,

Suhu operasi yang lebih tinggi.

Lebih rendah pada rintangan, pelesapan kuasa yang minimum, dan kecekapan tenaga yang lebih tinggi.

Peranti GaN

Dalam menukar aplikasi, peranti mod peningkatan (atau E-mod), yang biasanya "dimatikan", lebih disukai, yang membawa kepada pembangunan peranti GaN mod E. Pertama datang lata dua peranti FET (Rajah 2). Kini, peranti GaN e-mod standard tersedia. Mereka boleh bertukar pada frekuensi sehingga 10 MHz dan tahap kuasa sehingga puluhan kilowatt.

Peranti GaN digunakan secara meluas dalam peralatan wayarles sebagai penguat kuasa pada frekuensi sehingga 100 GHz. Beberapa kes penggunaan utama ialah penguat kuasa stesen pangkalan selular, radar tentera, pemancar satelit dan penguatan RF am. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh voltan tinggi (sehingga 1,000 V), suhu tinggi dan pensuisan pantas, ia turut digabungkan ke dalam pelbagai aplikasi kuasa pensuisan seperti penukar DC-DC, penyongsang dan pengecas bateri.

Peranti SiC

Transistor SiC ialah MOSFET E-mod semula jadi. Peranti ini boleh bertukar pada frekuensi sehingga 1 MHz dan pada tahap voltan dan arus jauh lebih tinggi daripada MOSFET silikon. Voltan sumber saliran maksimum adalah sehingga kira-kira 1,800 V, dan keupayaan arus ialah 100 amp. Selain itu, peranti SiC mempunyai rintangan pada yang jauh lebih rendah daripada MOSFET silikon, menghasilkan kecekapan yang lebih tinggi dalam semua aplikasi bekalan kuasa pensuisan (reka bentuk SMPS).

Peranti SiC memerlukan pemacu voltan get 18 hingga 20 volt untuk menghidupkan peranti dengan rintangan hidup yang rendah. MOSFET Si standard memerlukan kurang daripada 10 volt di pintu pagar untuk dihidupkan sepenuhnya. Selain itu, peranti SiC memerlukan pemacu get -3 hingga -5 V untuk bertukar kepada keadaan mati. Voltan tinggi, keupayaan arus tinggi SiC MOSFET menjadikannya sesuai untuk litar kuasa automotif.

Dalam banyak aplikasi, IGBT digantikan oleh peranti SiC. Peranti SiC boleh bertukar pada frekuensi yang lebih tinggi, mengurangkan saiz dan kos induktor atau transformer sambil meningkatkan kecekapan. Selain itu, SiC boleh mengendalikan arus yang lebih tinggi daripada GaN.

Terdapat persaingan antara peranti GaN dan SiC, terutamanya MOSFET LDMOS silikon, MOSFET superjunction dan IGBT. Dalam banyak aplikasi, mereka digantikan oleh transistor GaN dan SiC.

Untuk meringkaskan perbandingan GaN vs. SiC, berikut ialah sorotan:

GaN bertukar lebih cepat daripada Si.

SiC beroperasi pada voltan yang lebih tinggi daripada GaN.

SiC memerlukan voltan pemacu pintu tinggi.

Banyak litar kuasa dan peranti boleh diperbaiki dengan mereka bentuk dengan GaN dan SiC. Salah satu penerima manfaat terbesar ialah sistem elektrik automotif. Kenderaan hibrid dan elektrik moden mengandungi peranti yang boleh menggunakan peranti ini. Beberapa aplikasi yang popular ialah OBC, penukar DC-DC, pemacu motor dan LiDAR. Rajah 3 menunjukkan subsistem utama dalam kenderaan elektrik yang memerlukan transistor pensuisan kuasa tinggi.

Rajah 3.  Pengecas on-board WBG (OBC) untuk kenderaan hibrid dan elektrik. Input AC dibetulkan, faktor kuasa dibetulkan (PFC), dan kemudian DC-DC ditukar

Penukar DC-DC. Ini adalah litar kuasa yang menukarkan voltan bateri tinggi kepada voltan yang lebih rendah untuk menjalankan peranti elektrik lain. Voltan bateri hari ini berjulat sehingga 600V atau 900V. Penukar DC-DC menurunkannya kepada 48V atau 12V, atau kedua-duanya, untuk pengendalian komponen elektronik lain (Rajah 3). Dalam kenderaan elektrik dan elektrik hibrid (HEVEV), DC-DC juga boleh digunakan untuk bas voltan tinggi antara pek bateri dan penyongsang.

Pengecas atas kapal (OBC). HEVEV dan EV pemalam mengandungi pengecas bateri dalaman yang boleh disambungkan kepada bekalan utama AC. Ini membolehkan pengecasan di rumah tanpa memerlukan pengecas luaran AC−DC (Rajah 4).

Pemandu motor pemacu utama. Motor pemacu utama ialah motor AC keluaran tinggi yang memacu roda kenderaan. Pemandu ialah penyongsang yang menukarkan voltan bateri kepada AC tiga fasa untuk menghidupkan motor.

Rajah 4. Penukar DC-DC biasa digunakan untuk menukar voltan bateri tinggi kepada 12 V dan/atau 48 V. IGBT yang digunakan dalam jambatan voltan tinggi sedang digantikan oleh MOSFET SiC.

Transistor GaN dan SiC menawarkan fleksibiliti pereka elektrik automotif dan reka bentuk yang lebih ringkas serta prestasi unggul kerana ciri voltan tinggi, arus tinggi dan pensuisan pantas.

VeTek Semiconductor ialah pengilang profesional Cina bagiSalutan Tantalum Carbide, Salutan Silikon Karbida, produk GaN, Grafit Khas, Seramik Silikon KarbidadanSeramik Semikonduktor Lain. VeTek Semiconductor komited untuk menyediakan penyelesaian termaju untuk pelbagai produk Salutan untuk industri semikonduktor.

Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mel: anny@veteksemi.com