В чем разница между применением карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN)? - ВеТек Полупроводник

Карбид кремнияиОбаназываются «широкозонными полупроводниками» (WBG). Благодаря используемому производственному процессу устройства WBG обладают следующими преимуществами:

1. Широкозонные полупроводники.

Нитрид галлия (ган)икарбид кремния (SiC)относительно схожи по ширине запрещенной зоны и полю пробоя. Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,2 эВ, а карбида кремния — 3,4 эВ. Хотя эти значения кажутся схожими, они значительно превышают ширину запрещенной зоны кремния. Ширина запрещенной зоны кремния составляет всего 1,1 эВ, что в три раза меньше, чем у нитрида галлия и карбида кремния. Более высокая ширина запрещенной зоны этих соединений позволяет нитриду галлия и карбиду кремния комфортно поддерживать цепи с более высоким напряжением, но они не могут поддерживать цепи с низким напряжением, такие как кремний.

2. Прочность на полет

Поля поломки нитрида галлиевого нитрида и карбида кремния относительно схожи, при этом нитрид галлия имеет поле расщепления 3,3 мВ/см и карбид кремния, имеющий поля разрушения 3,5 мВ/см. Эти поля разрушения позволяют соединениям обрабатывать более высокие напряжения значительно лучше, чем обычный кремний. Кремний имеет поле расщепления 0,3 мВ/см, что означает, что GAN и SIC почти в десять раз способны поддерживать более высокие напряжения. Они также могут поддерживать более низкие напряжения, используя значительно меньшие устройства.

3. Транзистор с высокой электронами (HEMT)

Наиболее значительным различием между GAN и SIC является их мобильность электронов, которая указывает на то, как быстро электроны проходят через полупроводниковый материал. Во -первых, кремний имеет электронную подвижность 1500 см^2/против. Ган имеет мобильность электронов 2000 см^2/против, что означает, что электроны движутся более чем на 30% быстрее, чем электроны кремния. Тем не менее, SIC имеет мобильность электронов 650 см^2/против, что означает, что электроны SIC движутся медленнее, чем электроны Ган и Си. При такой высокой мобильности электронов Ган почти в три раза способен высокочастотным приложениям. Электроны могут перемещаться через полупроводники Gan намного быстрее, чем SIC.

4. Теплопроводность GaN и SiC.

Теплопроводность материала – это его способность передавать тепло через себя. Теплопроводность напрямую влияет на температуру материала, учитывая среду, в которой он используется. В приложениях с высокой мощностью из-за неэффективности материала выделяется тепло, которое повышает температуру материала и впоследствии изменяет его электрические свойства. GaN имеет теплопроводность 1,3 Вт/смК, что на самом деле хуже, чем у кремния, у которого проводимость 1,5 Вт/смК. Однако SiC имеет теплопроводность 5 Вт/смК, что позволяет ему почти в три раза лучше переносить тепловые нагрузки. Это свойство делает SiC очень выгодным для мощных и высокотемпературных применений.

5. Процесс производства полупроводниковых пластин

Текущие производственные процессы являются ограничивающим фактором для GAN и SIC, потому что они более дорогие, менее точные или более энергоемкие, чем широко принятые процессы производства кремния. Например, Ган содержит большое количество кристаллических дефектов на небольшой площади. Кремний, с другой стороны, может содержать только 100 дефектов на квадратный сантиметр. Очевидно, что эта огромная скорость дефекта делает GAN неэффективным. В то время как производители добились больших успехов в последние годы, Ган все еще изо всех сил пытается удовлетворить строгие требования к конструкции полупроводника.

6. Рынок полупроводников власти

По сравнению с кремнием, современные технологии производства ограничивают экономическую эффективность нитрида галлия и карбида кремния, что делает оба высокомощных материала более дорогими в краткосрочной перспективе. Однако оба материала имеют большие преимущества в конкретных полупроводниковых приложениях.

Карбид кремния может оказаться более эффективным продуктом в краткосрочной перспективе, поскольку из него легче производить более крупные и однородные пластины SiC, чем из нитрида галлия. Со временем нитрид галлия найдет свое место в небольших высокочастотных продуктах, учитывая его более высокую подвижность электронов. Карбид кремния будет более желателен в изделиях большей мощности, поскольку его энергетические возможности выше, чем теплопроводность нитрида галлия.

Нитрид галлия anD Силиконовые карбидные устройства конкурируют с кремниевыми полупроводниковыми (LDMOS) MOSFET и суперфункциональными МОСФЕТАМ. Устройства GAN и SIC в некоторых отношениях похожи, но есть и существенные различия.

Рисунок 1. Взаимосвязь между высоким напряжением, большим током, частотой переключения и основными областями применения.

Полупроводники с широкой запрещенной зоной

Составные полупроводники WBG имеют более высокую мобильность электронов и более высокую энергию полосовой зоны, что приводит к превосходным свойствам над кремнием. Транзисторы, изготовленные из составных полупроводников WBG, имеют более высокие напряжения разбивки и допуска к высоким температурам. Эти устройства предлагают преимущества по сравнению с кремнием в высоковольтных и мощных приложениях.

Рисунок 2. Каскадная схема с двойным двойным двойным

Транзисторы WBG также переключаются быстрее, чем кремний и могут работать на более высоких частотах. Более низкое сопротивление «на» означает, что они рассеивают меньше энергии, повышая энергоэффективность. Эта уникальная комбинация характеристик делает эти устройства привлекательными для некоторых из наиболее требовательных цепей в автомобильных приложениях, особенно гибридных и электромобилей.

Транзисторы Gan и SIC для решения проблем в автомобильном электрическом оборудовании

Ключевые преимущества устройств GAN и SIC: возможности высокого напряжения, с устройствами 650 В, 900 В и 1200 В,

Карбид кремния:

Выше 1700 В, 3300 В и 6500 В.

Более быстрые скорости переключения,

Более высокие рабочие температуры.

Ниже сопротивления, минимального рассеяния мощности и более высокой энергоэффективности.

Устройства GAN

При переключении приложений предпочтительнее, что приводили к разработке устройств E-Mode (или E-Mode), которые обычно являются «выключенными», что привело к разработке устройств E-Mode GAN. Сначала появился каскад двух устройств FET (рис. 2). Теперь доступны стандартные устройства E-Mode Gan. Они могут переключаться на частотах до 10 МГц и уровней мощности до десятков киловатта.

Устройства GAN широко используются в беспроводном оборудовании в качестве усилителей мощности на частотах до 100 ГГц. Некоторые из основных вариантов использования - это усилители мощности сотовой базовой станции, военные радары, спутниковые передатчики и общее радиочастотное усиление. Тем не менее, из-за высокого напряжения (до 1000 В), высокой температуры и быстрой переключения, они также включены в различные приложения для переключения питания, такие как преобразователи DC-DC, инверторы и зарядные устройства для батареи.

Карбид кремния-устройства

Карбид кремния-транзисторы представляют собой естественные МОП-транзисторы E-режима. Эти устройства могут переключаться на частотах до 1 МГц и при уровнях напряжения и тока, намного более высоких, чем кремниевые МОП-транзисторы. Максимальное напряжение сток-исток составляет примерно до 1800 В, а допустимый ток — 100 ампер. Кроме того, устройства на основе SiC имеют гораздо более низкое сопротивление в открытом состоянии, чем кремниевые МОП-транзисторы, что приводит к более высокой эффективности во всех приложениях импульсных источников питания (проекты SMPS).

Устройства SIC требуют привода напряжения затвора от 18 до 20 вольт для включения устройства с низкой настойкой. Стандартные Mosfets требуют менее 10 вольт у ворот, чтобы полностью включить. Кроме того, устройства SIC требуют привода от -3 до -5 В, чтобы переключиться на состояние выключения. Высокие способности SIC Mosfets высокого напряжения делают их идеальными для автомобильных цепей питания.

Во многих приложениях IGBT заменяются устройствами на основе SiC. Устройства SiC могут переключаться на более высоких частотах, уменьшая размер и стоимость катушек индуктивности или трансформаторов, одновременно повышая эффективность. Кроме того, SiC может выдерживать более высокие токи, чем GaN.

Существует конкуренция между устройствами GaN и SiC, особенно кремниевыми LDMOS MOSFET, сверхпереходными MOSFET и IGBT. Во многих приложениях их заменяют транзисторы GaN и SiC.

Подводя итоги сравнения GAN и SIC, вот основные моменты:

Оба переключается быстрее, чем Si.

Карбид кремния работает при более высоких напряжениях, чем GaN.

Карбид кремния требует высокого напряжения управления затвором.

Многие силовые схемы и устройства можно улучшить, используя GaN и SiC. Одним из крупнейших бенефициаров является автомобильная электрическая система. Современные гибридные и электромобили содержат устройства, которые могут использовать эти устройства. Некоторые из популярных приложений — OBC, преобразователи постоянного тока, электроприводы и LiDAR. На рисунке 3 показаны основные подсистемы электромобилей, которым требуются переключающие транзисторы высокой мощности.

Рисунок 3. Бортовое зарядное устройство WBG (OBC) для гибридных и электромобилей. Вход переменного тока выпрямляется, корректируется коэффициент мощности (PFC), а затем преобразуется в постоянный ток.

DC-DC Converter. Это силовая цепь, которая преобразует высокое напряжение аккумулятора в более низкое для питания других электрических устройств. Сегодняшнее напряжение батареи колеблется до 600 В или 900 В. Преобразователь постоянного тока понижает его до 48 В или 12 В или того и другого для работы других электронных компонентов (рис. 3). В гибридных электромобилях и электромобилях (HEVEV) DC-DC также может использоваться в качестве высоковольтной шины между аккумуляторной батареей и инвертором.

Бортовые зарядные устройства (OBC)Полем Подключаемые HEVEV и EV содержат внутреннее зарядное устройство, которое можно подключить к питанию переменного тока. Это позволяет заряжать дома без необходимости внешнего зарядного устройства AC -DC (рис. 4).

Основной драйвер двигателя приводаПолем Основной мотор привода-это мотор с высоким выходом, который управляет колесами автомобиля. Водитель-это инвертор, который преобразует напряжение батареи в трехфазный переменный ток, чтобы повернуть двигатель.

Рисунок 4. Типичный преобразователь постоянного тока используется для преобразования высокого напряжения батареи в 12 В и/или 48 В. IGBT, используемые в высоковольтных мостах, заменяются SiC MOSFET.

Транзисторы GaN и SiC предлагают проектировщикам автомобильной электротехники гибкость и более простую конструкцию, а также превосходные характеристики благодаря своим характеристикам высокого напряжения, большого тока и быстрого переключения.

Vetek Semiconductor - профессиональный китайский производительКарбидовое покрытие тантала, Кремниевое карбидовое покрытие, GAN Products, Специальный графит, Керамика из карбида кремнияиДругая полупроводниковая керамикаПолем Vetek Semiconductor стремится предоставлять передовые решения для различных продуктов для покрытия для полупроводниковой промышленности.

Если у вас есть какие -либо запросы или вам нужны дополнительные данные, пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электронная почта: anny@veteksemi.com