Која је разлика између апликација силицијум карбида (СиЦ) и галијум нитрида (ГаН)? - ВеТек Семицондуцтор

СиЦиГаНсе називају "широкопојасни полупроводници" (ВБГ). Због коришћеног процеса производње, ВБГ уређаји показују следеће предности:

1. Полупроводници са широким појасом

галијум нитрид (ГаН)исилицијум карбид (СиЦ)релативно су слични у погледу размака и поља пробоја. Размак галијум нитрида је 3,2 еВ, док је појас силицијум карбида 3,4 еВ. Иако ове вредности изгледају сличне, оне су знатно веће од појасног размака силицијума. Појасни размак силицијума је само 1,1 еВ, што је три пута мање него код галијум нитрида и силицијум карбида. Већи појасеви ових једињења омогућавају галијум нитриду и силицијум карбиду да удобно подржавају кола вишег напона, али не могу да подрже нисконапонска кола као што је силицијум.

2. Јачина поља квара

Поља пропадања галијум нитрида и силицијум карбида су релативно слична, при чему галијум нитрид има поље пропадања од 3,3 МВ/цм, а силицијум карбид има поље пропадања од 3,5 МВ/цм. Ова поља квара омогућавају једињењима да подносе веће напоне знатно боље од обичног силицијума. Силицијум има поље пробоја од 0,3 МВ/цм, што значи да су ГаН и СиЦ скоро десет пута способнији да издрже веће напоне. Такође су у стању да подрже ниже напоне користећи знатно мање уређаје.

3. Транзистор високе покретљивости електрона (ХЕМТ)

Најзначајнија разлика између ГаН и СиЦ је њихова покретљивост електрона, која показује колико се брзо електрони крећу кроз полупроводнички материјал. Прво, силицијум има покретљивост електрона од 1500 цм^2/Вс. ГаН има покретљивост електрона од 2000 цм^2/Вс, што значи да се електрони крећу више од 30% брже од електрона силицијума. Међутим, СиЦ има покретљивост електрона од 650 цм^2/Вс, што значи да се СиЦ електрони крећу спорије од ГаН и Си електрона. Са тако великом мобилношћу електрона, ГаН је скоро три пута способнији за апликације високе фреквенције. Електрони се могу кретати кроз ГаН полупроводнике много брже од СиЦ.

4. Топлотна проводљивост ГаН и СиЦ

Топлотна проводљивост материјала је његова способност да преноси топлоту кроз себе. Топлотна проводљивост директно утиче на температуру материјала, с обзиром на окружење у којем се користи. У апликацијама велике снаге, неефикасност материјала ствара топлоту, што подиже температуру материјала и последично мења његове електричне особине. ГаН има топлотну проводљивост од 1,3 В/цмК, што је заправо горе од оне код силицијума, који има проводљивост од 1,5 В/цмК. Међутим, СиЦ има топлотну проводљивост од 5 В/цмК, што га чини скоро три пута бољим у преношењу топлотних оптерећења. Ово својство чини СиЦ веома повољним у апликацијама велике снаге и високе температуре.

5. Процес производње полупроводничких плочица

Тренутни производни процеси су ограничавајући фактор за ГаН и СиЦ јер су скупљи, мање прецизни или енергетски интензивнији од широко прихваћених процеса производње силицијума. На пример, ГаН садржи велики број кристалних дефеката на малој површини. Силицијум, с друге стране, може да садржи само 100 дефеката по квадратном центиметру. Очигледно, ова огромна стопа дефекта чини ГаН неефикасним. Иако су произвођачи направили велике кораке последњих година, ГаН се још увек бори да испуни строге захтеве дизајна полупроводника.

6. Тржиште енергетских полупроводника

У поређењу са силицијумом, тренутна производна технологија ограничава исплативост галијум нитрида и силицијум карбида, чинећи оба материјала велике снаге скупљима у кратком року. Међутим, оба материјала имају јаке предности у специфичним применама полупроводника.

Силицијум карбид може бити ефикаснији производ у кратком року јер је лакше произвести веће и униформније СиЦ плочице од галијум нитрида. Временом ће галијум нитрид наћи своје место у малим, високофреквентним производима с обзиром на његову већу покретљивост електрона. Силицијум карбид ће бити пожељнији у производима већих снага јер су његове снаге веће од топлотне проводљивости галијум нитрида.

Галијум нитрид анд уређаји са силицијум карбидом се такмиче са силицијумским полупроводничким (ЛДМОС) МОСФЕТ-овима и МОСФЕТ-овима са суперјункцијом. ГаН и СиЦ уређаји су на неки начин слични, али постоје и значајне разлике.

Слика 1. Однос између високог напона, велике струје, фреквенције пребацивања и главних области примене.

Полупроводници са широким појасом

ВБГ сложени полупроводници имају већу покретљивост електрона и већу енергију појасног размака, што се преводи у супериорна својства у односу на силицијум. Транзистори направљени од ВБГ сложених полупроводника имају веће напоне пробоја и толеранцију на високе температуре. Ови уређаји нуде предности у односу на силицијум у апликацијама високог напона и велике снаге.

Слика 2. Дуал-дие дуал-ФЕТ каскадно коло претвара ГаН транзистор у нормално искључен уређај, омогућавајући стандардни рад у режиму побољшања у прекидачким колима велике снаге

ВБГ транзистори се такође пребацују брже од силикона и могу да раде на вишим фреквенцијама. Мањи отпор „укључености“ значи да расипају мање енергије, побољшавајући енергетску ефикасност. Ова јединствена комбинација карактеристика чини ове уређаје атрактивним за неке од најзахтевнијих кола у аутомобилским апликацијама, посебно за хибридна и електрична возила.

ГаН и СиЦ транзистори за суочавање са изазовима у аутомобилској електричној опреми

Кључне предности ГаН и СиЦ уређаја: Могућност високог напона, са уређајима од 650 В, 900 В и 1200 В,

Силицијум карбид:

Виши 1700В.3300В и 6500В.

Веће брзине пребацивања,

Више радне температуре.

Мањи отпор, минимална дисипација снаге и већа енергетска ефикасност.

ГаН уређаји

У апликацијама за пребацивање преферирају се уређаји у режиму побољшања (или Е-моду), који су обично „искључени“, што је довело до развоја ГаН уређаја у Е-моду. Прво је дошла каскада од два ФЕТ уређаја (слика 2). Сада су доступни стандардни е-моде ГаН уређаји. Могу се пребацивати на фреквенцијама до 10 МХз и нивоима снаге до десетина киловата.

ГаН уређаји се широко користе у бежичној опреми као појачивачи снаге на фреквенцијама до 100 ГХз. Неки од главних случајева употребе су појачивачи снаге базних станица, војни радари, сателитски предајници и опште РФ појачање. Међутим, због високог напона (до 1.000 В), високе температуре и брзог пребацивања, они су такође уграђени у различите апликације за напајање као што су ДЦ-ДЦ претварачи, инвертори и пуњачи батерија.

СиЦ Девицес

СиЦ транзистори су природни МОСФЕТ-ови Е-мода. Ови уређаји могу да се пребацују на фреквенцијама до 1 МХз и на нивоима напона и струје много вишим од силицијумских МОСФЕТ-ова. Максимални напон дрејн-извор је до око 1800 В, а струјна способност је 100 ампера. Поред тога, СиЦ уређаји имају много нижи отпор на укључење од силицијумских МОСФЕТ-ова, што резултира већом ефикасношћу у свим апликацијама прекидачког напајања (СМПС дизајн).

СиЦ уређајима је потребан напон на гејту од 18 до 20 волти да би се укључио уређај са малим отпором. Стандардни Си МОСФЕТ-ови захтевају мање од 10 волти на капији да би се потпуно укључили. Поред тога, СиЦ уређајима је потребан гејт драјв од -3 до -5 В да би се пребацили у стање искључено. Могућности високог напона и велике струје СиЦ МОСФЕТ-а чине их идеалним за аутомобилска струјна кола.

У многим апликацијама, ИГБТ-ови се замењују СиЦ уређајима. СиЦ уређаји могу да се пребацују на вишим фреквенцијама, смањујући величину и цену индуктора или трансформатора уз побољшање ефикасности. Поред тога, СиЦ може да поднесе веће струје од ГаН.

Постоји конкуренција између ГаН и СиЦ уређаја, посебно силицијумских ЛДМОС МОСФЕТ-а, суперјункцијских МОСФЕТ-а и ИГБТ-ова. У многим апликацијама, они се замењују ГаН и СиЦ транзисторима.

Да сумирамо поређење ГаН са СиЦ, ево најважнијих ствари:

ГаН прелази брже од Си.

СиЦ ради на вишим напонима од ГаН.

СиЦ захтева високе напоне покретања капије.

Многа струјна кола и уређаји могу се побољшати пројектовањем са ГаН и СиЦ. Један од највећих корисника је аутомобилски електрични систем. Савремена хибридна и електрична возила садрже уређаје који могу да користе ове уређаје. Неке од популарних апликација су ОБЦ, ДЦ-ДЦ претварачи, моторни погони и ЛиДАР. На слици 3 су приказани главни подсистеми у електричним возилима који захтевају пребацивање транзистора велике снаге.

Слика 3.  ВБГ уграђени пуњач (ОБЦ) за хибридна и електрична возила. Улаз наизменичне струје се исправља, фактор снаге коригује (ПФЦ), а затим се претвара у ДЦ-ДЦ

ДЦ-ДЦ претварач. Ово је струјни круг који претвара високи напон батерије у нижи напон за покретање других електричних уређаја. Данашњи напон батерије креће се до 600В или 900В. ДЦ-ДЦ претварач га смањује на 48В или 12В, или обоје, за рад других електронских компоненти (слика 3). У хибридним електричним и електричним возилима (ХЕВЕВ), ДЦ-ДЦ се такође може користити за високонапонску магистралу између батерије и претварача.

Уграђени пуњачи (ОБЦ). Плуг-ин ХЕВЕВ и ЕВ садрже интерни пуњач батерија који се може повезати на напајање наизменичном струјом. Ово омогућава пуњење код куће без потребе за екстерним АЦ-ДЦ пуњачем (Слика 4).

Возач мотора главног погона. Главни погонски мотор је мотор наизменичне струје велике снаге који покреће точкове возила. Покретач је претварач који претвара напон батерије у трофазну наизменичну струју да би покренуо мотор.

Слика 4. Типичан ДЦ-ДЦ претварач се користи за претварање високих напона батерија у 12 В и/или 48 В. ИГБТ-ови који се користе у високонапонским мостовима се замењују СиЦ МОСФЕТ-овима.

ГаН и СиЦ транзистори нуде дизајнерима аутомобилске електронике флексибилност и једноставнији дизајн, као и супериорне перформансе због високог напона, велике струје и карактеристика брзог пребацивања.

ВеТек Семицондуцтор је професионални кинески произвођачТантал-карбид премаз, Премаз од силицијум карбида, ГаН производи, Специјални графит, Керамика од силицијум карбидаиДруга полупроводничка керамика. ВеТек Семицондуцтор је посвећен пружању напредних решења за различите премазе за индустрију полупроводника.

Ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не устручавајте се да нас контактирате.

Моб/ВхатсАПП: +86-180 6922 0752

Е-пошта: анни@ветексеми.цом