Wat is het verschil tussen siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) toepassingen? - VeTek-halfgeleider

SicEnGaNworden aangeduid als "brede bandgap semiconductors" (WBG). Vanwege het gebruikte productieproces tonen WBG -apparaten de volgende voordelen:

1. Brede bandgap halfgeleiders

Galliumnitride (GaN)Ensiliciumcarbide (SiC)zijn relatief vergelijkbaar in termen van bandgap- en afbraakveld. De bandgap van galliumnitride is 3,2 eV, terwijl de bandgap van siliciumcarbide 3,4 eV is. Hoewel deze waarden vergelijkbaar lijken, zijn ze aanzienlijk hoger dan de bandgap van silicium. De bandgap van silicium is slechts 1,1 eV, wat drie keer kleiner is dan die van galliumnitride en siliciumcarbide. Door de hogere bandgaps van deze verbindingen kan galliumnitride en siliciumcarbide comfortabel hogere spanningscircuits ondersteunen, maar ze kunnen geen lage spanningscircuits zoals silicium ondersteunen.

2. Uitsplitsingsveldsterkte

De afbraakvelden van galliumnitride en siliciumcarbide zijn relatief vergelijkbaar, waarbij galliumnitride een afbraakveld met 3,3 mV/cm en siliciumcarbide met een afbraakveld van 3,5 mV/cm met een afbraakveld met een afbraak. Met deze afbraakvelden kunnen de verbindingen hogere spanningen aanzienlijk beter verwerken dan het normale silicium. Silicium heeft een afbraakveld van 0,3 mV/cm, wat betekent dat GAN en SIC bijna tien keer meer in staat zijn om hogere spanningen te behouden. Ze kunnen ook lagere spanningen ondersteunen met behulp van aanzienlijk kleinere apparaten.

3. Transistor met hoge elektronenmobiliteit (HEMT)

Het belangrijkste verschil tussen GaN en SiC is hun elektronenmobiliteit, die aangeeft hoe snel elektronen door het halfgeleidermateriaal bewegen. Ten eerste heeft silicium een ​​elektronenmobiliteit van 1500 cm^2/Vs. GaN heeft een elektronenmobiliteit van 2000 cm^2/Vs, wat betekent dat elektronen ruim 30% sneller bewegen dan de elektronen van silicium. SiC heeft echter een elektronenmobiliteit van 650 cm^2/Vs, wat betekent dat de elektronen van SiC langzamer bewegen dan de elektronen van GaN en Si. Met zo'n hoge elektronenmobiliteit is GaN bijna drie keer beter geschikt voor hoogfrequente toepassingen. Elektronen kunnen veel sneller door GaN-halfgeleiders bewegen dan SiC.

4. Thermische geleidbaarheid van GAN en SIC

De thermische geleidbaarheid van een materiaal is het vermogen om warmte door zichzelf over te brengen. Thermische geleidbaarheid beïnvloedt direct de temperatuur van een materiaal, gezien de omgeving waarin het wordt gebruikt. In krachtige toepassingen genereert de inefficiëntie van het materiaal warmte, wat de temperatuur van het materiaal verhoogt en vervolgens zijn elektrische eigenschappen verandert. GAN heeft een thermische geleidbaarheid van 1,3 W/cmk, wat eigenlijk erger is dan die van silicium, die een geleidbaarheid van 1,5 W/cmk heeft. SIC heeft echter een thermische geleidbaarheid van 5 W/cmk, waardoor het bijna drie keer beter is bij het overbrengen van warmtebelastingen. Deze eigenschap maakt SIC zeer voordelig in krachtige toepassingen op hoge temperatuur.

5. Semiconductor Wafer -productieproces

De huidige productieprocessen zijn een beperkende factor voor GaN en SiC omdat ze duurder, minder nauwkeurig of energie-intensiever zijn dan de algemeen aanvaarde productieprocessen voor silicium. GaN bevat bijvoorbeeld een groot aantal kristaldefecten over een klein gebied. Silicium daarentegen kan slechts 100 defecten per vierkante centimeter bevatten. Het is duidelijk dat dit enorme defectpercentage GaN inefficiënt maakt. Hoewel fabrikanten de afgelopen jaren grote vooruitgang hebben geboekt, worstelt GaN nog steeds met het voldoen aan de strenge ontwerpeisen voor halfgeleiders.

6. Markt voor vermogenshalfgeleiders

In vergelijking met silicium beperkt de huidige productietechnologie de kosteneffectiviteit van galliumnitride en siliciumcarbide, waardoor beide krachtige materialen op korte termijn duurder worden. Beide materialen hebben echter sterke voordelen in specifieke halfgeleidertoepassingen.

Siliciumcarbide kan op korte termijn een effectiever product zijn, omdat het gemakkelijker is om grotere en meer uniforme SIC -wafels te produceren dan galliumnitride. Na verloop van tijd zal galliumnitride zijn plaats vinden in kleine, hoogfrequente producten gezien de hogere elektronenmobiliteit. Siliciumcarbide zal wenselijker zijn in grotere stroomproducten omdat de stroommogelijkheden hoger zijn dan de thermische geleidbaarheid van galliumnitride.

Galliumnitride eend Siliciumcarbide-apparaten concurreren met silicium halfgeleider (LDMOS) MOSFET's en superjunctie-MOSFET's. GaN- en SiC-apparaten lijken in sommige opzichten op elkaar, maar er zijn ook aanzienlijke verschillen.

Figuur 1. De relatie tussen hoge spanning, hoge stroom, schakelfrequentie en belangrijke toepassingsgebieden.

Brede bandgap halfgeleiders

WBG -samengestelde halfgeleiders hebben een hogere elektronenmobiliteit en hogere bandgap -energie, wat zich vertaalt in superieure eigenschappen over silicium. Transistoren gemaakt van WBG -samengestelde halfgeleiders hebben hogere afbraakspanningen en tolerantie voor hoge temperaturen. Deze apparaten bieden voordelen ten opzichte van silicium in hoogspannings- en krachtige toepassingen.

Figuur 2. Een dual-Die dual-fet cascadecircuit zet een GAN-transistor om in een normaal afgevaardigde apparaat, waardoor standaardverbeteringsmodus wordt mogelijk gemaakt in krachtige schakelcircuits

WBG-transistoren schakelen ook sneller dan silicium en kunnen op hogere frequenties werken. Een lagere ‘aan’-weerstand betekent dat ze minder stroom verbruiken, waardoor de energie-efficiëntie verbetert. Deze unieke combinatie van kenmerken maakt deze apparaten aantrekkelijk voor enkele van de meest veeleisende circuits in automobieltoepassingen, met name hybride en elektrische voertuigen.

GAN- en SIC -transistors om uitdagingen aan te gaan in elektrische apparatuur voor auto's

Belangrijkste voordelen van GaN- en SiC-apparaten: Hoogspanningsvermogen, met 650 V-, 900 V- en 1200 V-apparaten,

Siliciumcarbide:

Hogere 1700V.3300V en 6500V.

Snellere schakelsnelheden,

Hogere bedrijfstemperaturen.

Lager op weerstand, minimale vermogensdissipatie en hogere energie -efficiëntie.

GaN-apparaten

Bij schakeltoepassingen hebben verbeteringsmodus (of e-modus) apparaten, die meestal "UIT" hebben, de voorkeur, die hebben geleid tot de ontwikkeling van E-Mode GAN-apparaten. Eerst kwam de cascade van twee FET -apparaten (figuur 2). Nu zijn standaard E-modus GAN-apparaten beschikbaar. Ze kunnen schakelen bij frequenties tot 10 MHz en vermogensniveaus tot tientallen kilowatts.

GAN -apparaten worden veel gebruikt in draadloze apparatuur als stroomversterkers bij frequenties tot 100 GHz. Sommige van de belangrijkste gebruiksscenario's zijn stroomversterkers van het cellulaire basisstation, militaire radars, satelliettransmitters en algemene RF -amplificatie. Vanwege de hoge spanning (tot 1.000 V), hoge temperatuur en snel schakelen, worden ze echter ook opgenomen in verschillende schakelvermogenstoepassingen zoals DC-DC-converters, omvormers en batterijladers.

SIC -apparaten

Sic-transistors zijn natuurlijke E-mode MOSFET's. Deze apparaten kunnen schakelen op frequenties tot 1 MHz en op spannings- en stroomniveaus die veel hoger zijn dan silicium-MOSFET's. De maximale drain-source-spanning bedraagt ​​maximaal ongeveer 1.800 V, en het stroomvermogen is 100 ampère. Bovendien hebben SiC-apparaten een veel lagere aan-weerstand dan silicium-MOSFET's, wat resulteert in een hogere efficiëntie in alle schakelende voedingstoepassingen (SMPS-ontwerpen).

SIC-apparaten vereisen een poortspanningsaandrijving van 18 tot 20 volt om het apparaat in te schakelen met lage onresistentie. Standaard SI MOSFET's vereisen minder dan 10 volt bij de poort om volledig in te schakelen. Bovendien vereisen SIC -apparaten een -3 tot -5 V gate -drive om over te schakelen naar de UIT -status. De hoge spanning, hoge stroommogelijkheden van SIC MOSFET's maken ze ideaal voor automobielkrachtcircuits.

In veel toepassingen worden IGBT's vervangen door SIC -apparaten. SIC -apparaten kunnen schakelen bij hogere frequenties, waardoor de grootte en kosten van inductoren of transformatoren worden verlaagd en tegelijkertijd de efficiëntie verbeteren. Bovendien kan SiC hogere stromen aan dan GAN.

Er is concurrentie tussen GaN- en SiC-apparaten, met name silicium LDMOS MOSFET's, superjunctie-MOSFET's en IGBT's. In veel toepassingen worden ze vervangen door GaN- en SiC-transistoren.

Om de GaN versus SiC-vergelijking samen te vatten, zijn hier de hoogtepunten:

GaN schakelt sneller dan Si.

Sic werkt op hogere spanningen dan GaN.

Sic vereist hoge poortaandrijfspanningen.

Veel stroomcircuits en apparaten kunnen worden verbeterd door te ontwerpen met GaN en SiC. Een van de grootste begunstigden is het elektrische systeem van de auto. Moderne hybride en elektrische voertuigen bevatten apparaten die deze apparaten kunnen gebruiken. Enkele van de populaire toepassingen zijn OBC's, DC-DC-converters, motoraandrijvingen en LiDAR. Figuur 3 toont de belangrijkste subsystemen in elektrische voertuigen waarvoor schakeltransistoren met hoog vermogen nodig zijn.

Figuur 3. WBG-boordlader (OBC) voor hybride en elektrische voertuigen. De AC-ingang wordt gelijkgericht, de arbeidsfactor gecorrigeerd (PFC) en vervolgens DC-DC geconverteerd

DC-DC-converter. Dit is een stroomcircuit dat de hoge accuspanning omzet in een lagere spanning om andere elektrische apparaten te laten werken. De huidige accuspanning varieert tot 600V of 900V. De DC-DC-omzetter verlaagt dit naar 48 V of 12 V, of beide, voor de werking van andere elektronische componenten (Figuur 3). Bij hybride elektrische en elektrische voertuigen (HEVEV’s) kan DC-DC ook gebruikt worden voor de hoogspanningsbus tussen het accupakket en de omvormer.

Board Chargers (OBCS). Plug-in hevs en EV's bevatten een interne batterijlader die kan worden aangesloten op een AC-netwerkvoorraad. Hierdoor kunt u thuis opladen zonder een externe AC -DC -oplader (Afbeelding 4).

Hoofdaandrijving motorbestuurder. De hoofdaandrijfmotor is een wisselstroommotor met hoog vermogen die de wielen van het voertuig aandrijft. De driver is een omvormer die de accuspanning omzet in driefasige wisselstroom om de motor te laten draaien.

Figuur 4. Een typische DC-DC-converter wordt gebruikt om hoge batterijspanningen om te zetten naar 12 V en/of 48 V. IGBT's die worden gebruikt in hoogspanningsbruggen worden vervangen door SIC MOSFET's.

GaN- en SiC-transistors bieden ontwerpers van elektrische auto's flexibiliteit en eenvoudiger ontwerpen, evenals superieure prestaties dankzij hun hoge spanning, hoge stroomsterkte en snelle schakelkarakteristieken.

Vetek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanTantaalcarbide coating, Siliciumcarbide coating, Gan -producten, Speciale grafiet, Siliciumcarbide keramiekEnAndere halfgeleiderkeramiek. VeTek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende coatingproducten voor de halfgeleiderindustrie.

Als u vragen heeft of aanvullende details nodig hebt, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com