Vad är skillnaden mellan kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) applikationer? - VeTek Semiconductor

SicochGaNhänvisas till som "wide bandgap semiconductors" (WBG). På grund av den använda produktionsprocessen visar WBG-enheter följande fördelar:

1. Halvledare med breda bandgap

Galliumnitrid (GaN)ochkiselkarbid (SiC)är relativt lika när det gäller bandgap och uppdelningsfält. Bandgapet för galliumnitrid är 3,2 eV, medan bandgapet för kiselkarbid är 3,4 eV. Även om dessa värden verkar lika, är de betydligt högre än bandgapet för kisel. Bandgapet för kisel är bara 1,1 eV, vilket är tre gånger mindre än det för galliumnitrid och kiselkarbid. De högre bandgapen hos dessa föreningar tillåter galliumnitrid och kiselkarbid att bekvämt stödja högre spänningskretsar, men de kan inte stödja lågspänningskretsar som kisel.

2. Nedbrytning Fältstyrka

Nedbrytningsfälten för galliumnitrid och kiselkarbid är relativt lika, där galliumnitrid har ett nedbrytningsfält på 3,3 MV/cm och kiselkarbid har ett nedbrytningsfält på 3,5 MV/cm. Dessa nedbrytningsfält tillåter föreningarna att hantera högre spänningar betydligt bättre än vanligt kisel. Kisel har ett nedbrytningsfält på 0,3 MV/cm, vilket innebär att GaN och SiC är nästan tio gånger mer kapabla att upprätthålla högre spänningar. De kan också stödja lägre spänningar med hjälp av betydligt mindre enheter.

3. High Electron Mobility Transistor (HEMT)

Den mest signifikanta skillnaden mellan GaN och SiC är deras elektronrörlighet, som indikerar hur snabbt elektroner rör sig genom halvledarmaterialet. För det första har kisel en elektronrörlighet på 1500 cm^2/Vs. GaN har en elektronrörlighet på 2000 cm^2/Vs, vilket innebär att elektroner rör sig mer än 30% snabbare än kislets elektroner. SiC har dock en elektronrörlighet på 650 cm^2/Vs, vilket innebär att SiC:s elektroner rör sig långsammare än GaN och Si:s elektroner. Med en så hög elektronmobilitet är GaN nästan tre gånger mer kapabel för högfrekventa tillämpningar. Elektroner kan röra sig genom GaN-halvledare mycket snabbare än SiC.

4. Värmeledningsförmåga för GaN och Sic

Värmeledningsförmågan hos ett material är dess förmåga att överföra värme genom sig själv. Värmeledningsförmågan påverkar direkt temperaturen på ett material, med tanke på miljön där det används. I högeffektapplikationer genererar materialets ineffektivitet värme, vilket höjer materialets temperatur och därefter ändrar dess elektriska egenskaper. GaN har en värmeledningsförmåga på 1,3 W/cmK, vilket faktiskt är sämre än för kisel, som har en konduktivitet på 1,5 W/cmK. SiC har dock en värmeledningsförmåga på 5 W/cmK, vilket gör den nästan tre gånger bättre på att överföra värmebelastningar. Denna egenskap gör SiC mycket fördelaktig i applikationer med hög effekt och hög temperatur.

5. Tillverkningsprocess för halvledarskivor

Nuvarande tillverkningsprocesser är en begränsande faktor för GaN och SiC eftersom de är dyrare, mindre exakta eller mer energikrävande än de allmänt använda kiseltillverkningsprocesserna. Till exempel innehåller GaN ett stort antal kristalldefekter över en liten yta. Kisel, å andra sidan, kan bara innehålla 100 defekter per kvadratcentimeter. Uppenbarligen gör denna enorma defektfrekvens GaN ineffektiv. Även om tillverkarna har gjort stora framsteg de senaste åren, kämpar GaN fortfarande för att uppfylla de stränga kraven på halvledardesign.

6. Power Semiconductor Market

Jämfört med kisel begränsar nuvarande tillverkningsteknik kostnadseffektiviteten för galliumnitrid och kiselkarbid, vilket gör båda högeffektsmaterialen dyrare på kort sikt. Båda materialen har dock starka fördelar i specifika halvledarapplikationer.

Kiselkarbid kan vara en mer effektiv produkt på kort sikt eftersom det är lättare att tillverka större och mer enhetliga SiC-skivor än galliumnitrid. Med tiden kommer galliumnitrid att hitta sin plats i små, högfrekventa produkter på grund av dess högre elektronrörlighet. Kiselkarbid kommer att vara mer önskvärt i större kraftprodukter eftersom dess kraftkapacitet är högre än galliumnitrids värmeledningsförmåga.

Galliumnitrid end kiselkarbidenheter konkurrerar med kiselhalvledar (LDMOS) MOSFETs och superjunction MOSFETs. GaN- och SiC-enheter är lika på vissa sätt, men det finns också betydande skillnader.

Figur 1. Förhållandet mellan högspänning, hög ström, kopplingsfrekvens och stora applikationsområden.

Halvledare med brett bandgap

WBG sammansatta halvledare har högre elektronrörlighet och högre bandgap-energi, vilket leder till överlägsna egenskaper jämfört med kisel. Transistorer gjorda av WBG sammansatta halvledare har högre genomslagsspänningar och tolerans mot höga temperaturer. Dessa enheter erbjuder fördelar jämfört med kisel i högspännings- och högeffektapplikationer.

Figur 2. En dual-die dual-FET-kaskadkrets omvandlar en GaN-transistor till en normalt avstängd enhet, vilket möjliggör standardförbättringslägesdrift i högeffektskopplingskretsar

WBG-transistorer växlar också snabbare än kisel och kan arbeta vid högre frekvenser. Lägre "på"-motstånd betyder att de avger mindre kraft, vilket förbättrar energieffektiviteten. Denna unika kombination av egenskaper gör dessa enheter attraktiva för några av de mest krävande kretsarna i fordonstillämpningar, särskilt hybrid- och elfordon.

GaN- och SiC-transistorer för att möta utmaningar inom elektrisk utrustning för fordon

Huvudfördelarna med GaN- och SiC-enheter: Högspänningskapacitet, med 650 V, 900 V och 1200 V-enheter,

Kiselkarbid:

Högre 1700V.3300V och 6500V.

Snabbare växlingshastigheter,

Högre driftstemperaturer.

Lägre motstånd, minimal effektförlust och högre energieffektivitet.

GaN-enheter

Vid byte av applikationer föredras enheter i förbättringsläge (eller E-läge), som vanligtvis är "av", vilket ledde till utvecklingen av GaN-enheter i E-läge. Först kom kaskaden av två FET-enheter (Figur 2). Nu finns standard GaN-enheter i e-läge tillgängliga. De kan växla vid frekvenser upp till 10 MHz och effektnivåer upp till tiotals kilowatt.

GaN-enheter används ofta i trådlös utrustning som effektförstärkare vid frekvenser upp till 100 GHz. Några av de huvudsakliga användningsfallen är cellulära basstations effektförstärkare, militära radar, satellitsändare och allmän RF-förstärkning. Men på grund av hög spänning (upp till 1 000 V), hög temperatur och snabb växling, är de också inbyggda i olika strömtillämpningar som DC-DC-omvandlare, växelriktare och batteriladdare.

Sic-enheter

Sic-transistorer är naturliga E-mode MOSFETs. Dessa enheter kan växla vid frekvenser upp till 1 MHz och vid spännings- och strömnivåer som är mycket högre än kisel-MOSFET. Maximal drain-source-spänning är upp till cirka 1 800 V, och strömkapaciteten är 100 ampere. Dessutom har SiC-enheter ett mycket lägre på-motstånd än kisel-MOSFET, vilket resulterar i högre effektivitet i alla applikationer för switchande strömförsörjning (SMPS-design).

Sic-enheter kräver en gate-spänningsdrift på 18 till 20 volt för att slå på enheten med lågt på-motstånd. Standard Si MOSFET kräver mindre än 10 volt vid grinden för att slå på helt. Dessutom kräver SiC-enheter en -3 till -5 V grinddrift för att växla till avstängt läge. SiC MOSFET:s högspänning och höga strömkapacitet gör dem idealiska för fordonsströmkretsar.

I många applikationer ersätts IGBT med SiC-enheter. SiC-enheter kan växla vid högre frekvenser, vilket minskar storleken och kostnaderna för induktorer eller transformatorer samtidigt som effektiviteten förbättras. Dessutom kan SiC hantera högre strömmar än GaN.

Det finns konkurrens mellan GaN- och SiC-enheter, särskilt kisel LDMOS MOSFETs, superjunction MOSFETs och IGBTs. I många applikationer ersätts de av GaN- och SiC-transistorer.

För att sammanfatta jämförelsen mellan GaN och SiC, här är höjdpunkterna:

GaN växlar snabbare än Si.

Sic arbetar med högre spänningar än GaN.

Sic kräver höga grinddrivspänningar.

Många strömkretsar och enheter kan förbättras genom att designa med GaN och SiC. En av de största förmånstagarna är fordonets elektriska system. Moderna hybrid- och elfordon innehåller enheter som kan använda dessa enheter. Några av de populära applikationerna är OBC, DC-DC-omvandlare, motordrivningar och LiDAR. Figur 3 visar de viktigaste delsystemen i elfordon som kräver högeffektstransistorer.

Figur 3.  WBG inbyggd laddare (OBC) för hybrid- och elfordon. AC-ingången likriktas, effektfaktor korrigeras (PFC) och sedan DC-DC konverteras

DC-DC omvandlare. Detta är en strömkrets som omvandlar den höga batterispänningen till en lägre spänning för att driva andra elektriska enheter. Dagens batterispänning sträcker sig upp till 600V eller 900V. DC-DC-omvandlaren stegar ner till 48V eller 12V, eller båda, för drift av andra elektroniska komponenter (Figur 3). I hybridel- och elfordon (HEVEV) kan DC-DC även användas för högspänningsbussen mellan batteripaketet och växelriktaren.

Inbyggda laddare (OBC). Plug-in HEVEVs och EVs innehåller en intern batteriladdare som kan anslutas till ett nätuttag. Detta möjliggör laddning hemma utan behov av en extern AC−DC-laddare (Figur 4).

Huvuddriven motordrivrutin. Huvuddrivmotorn är en växelströmsmotor med hög effekt som driver fordonets hjul. Drivrutinen är en växelriktare som omvandlar batterispänningen till trefas AC för att vrida motorn.

Figur 4. En typisk DC-DC-omvandlare används för att omvandla höga batterispänningar till 12 V och/eller 48 V. IGBT:er som används i högspänningsbryggor ersätts av SiC MOSFETs.

GaN- och SiC-transistorer erbjuder bildesigners flexibilitet och enklare konstruktioner samt överlägsen prestanda på grund av deras höga spänning, höga ström och snabba kopplingsegenskaper.

VeTek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avTantalkarbidbeläggning, Silikonkarbidbeläggning, GaN produkter, Speciell grafit, KiselkarbidkeramikochAnnan halvledarkeramik. VeTek Semiconductor har åtagit sig att tillhandahålla avancerade lösningar för olika beläggningsprodukter för halvledarindustrin.

Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com