Mis vahe on ränikarbiidi (SiC) ja galliumnitriidi (GaN) rakenduste vahel? - VeTeki pooljuht

SiCjaGaNnimetatakse "laia ribalaiusega pooljuhtideks" (WBG). Kasutatavast tootmisprotsessist tulenevalt on WBG seadmetel järgmised eelised:

1. Laia ribalaiusega pooljuhid

Galliumnitriid (GaN)jaränikarbiid (SiC)on ribalaiuse ja jaotusvälja poolest suhteliselt sarnased. Galliumnitriidi ribalaius on 3,2 eV, ränikarbiidi ribalaius aga 3,4 eV. Kuigi need väärtused tunduvad sarnased, on need oluliselt suuremad kui räni ribalaius. Räni ribalaius on vaid 1,1 eV, mis on kolm korda väiksem kui galliumnitriidil ja ränikarbiidil. Nende ühendite suuremad ribalaiused võimaldavad galliumnitriidil ja ränikarbiidil mugavalt toetada kõrgema pingega ahelaid, kuid need ei saa toetada madalpingeahelaid nagu räni.

2. Jaotusvälja tugevus

Galliumnitriidi ja ränikarbiidi jaotusväljad on suhteliselt sarnased, galliumnitriidil on 3,3 MV/cm ja ränikarbiidil 3,5 MV/cm. Need jaotusväljad võimaldavad ühenditel taluda kõrgemaid pingeid oluliselt paremini kui tavaline räni. Räni läbilöögiväli on 0,3 MV/cm, mis tähendab, et GaN ja SiC on peaaegu kümme korda võimelised taluma kõrgemat pinget. Samuti on nad võimelised toetama madalamat pinget, kasutades oluliselt väiksemaid seadmeid.

3. Suure elektronliikuvuse transistor (HEMT)

Kõige olulisem erinevus GaN ja SiC vahel on nende elektronide liikuvus, mis näitab, kui kiiresti elektronid pooljuhtmaterjalist läbi liiguvad. Esiteks on räni elektronide liikuvus 1500 cm^2/Vs. GaN elektronide liikuvus on 2000 cm^2/Vs, mis tähendab, et elektronid liiguvad rohkem kui 30% kiiremini kui räni elektronid. SiC elektronide liikuvus on aga 650 cm^2/Vs, mis tähendab, et SiC elektronid liiguvad aeglasemalt kui GaN ja Si elektronid. Nii suure elektronide liikuvusega on GaN kõrgsageduslike rakenduste jaoks peaaegu kolm korda võimekam. Elektronid võivad liikuda läbi GaN pooljuhtide palju kiiremini kui SiC.

4. GaN ja SiC soojusjuhtivus

Materjali soojusjuhtivus on selle võime soojust enda kaudu üle kanda. Soojusjuhtivus mõjutab otseselt materjali temperatuuri, arvestades keskkonda, milles seda kasutatakse. Suure võimsusega rakendustes tekitab materjali ebatõhusus soojust, mis tõstab materjali temperatuuri ja muudab seejärel selle elektrilisi omadusi. GaN soojusjuhtivus on 1,3 W/cmK, mis on tegelikult halvem kui ränil, mille juhtivus on 1,5 W/cmK. SiC soojusjuhtivus on aga 5 W/cmK, mis muudab selle soojuskoormuse ülekandmisel peaaegu kolm korda paremaks. See omadus muudab SiC väga kasulikuks suure võimsusega ja kõrge temperatuuriga rakendustes.

5. Pooljuhtplaatide tootmisprotsess

Praegused tootmisprotsessid on GaN ja SiC piirav tegur, kuna need on kallimad, vähem täpsed või energiamahukamad kui laialt levinud räni tootmisprotsessid. Näiteks GaN sisaldab väikesel alal suurel hulgal kristallide defekte. Räni seevastu võib sisaldada vaid 100 defekti ruutsentimeetri kohta. Ilmselgelt muudab see tohutu defektide määr GaN-i ebatõhusaks. Kuigi tootjad on viimastel aastatel teinud suuri edusamme, näeb GaN endiselt vaeva, et täita rangeid pooljuhtide disaininõudeid.

6. Võimsuspooljuhtide turg

Võrreldes räniga piirab praegune tootmistehnoloogia galliumnitriidi ja ränikarbiidi kuluefektiivsust, muutes mõlemad suure võimsusega materjalid lühiajaliselt kallimaks. Siiski on mõlemal materjalil kindlates pooljuhtide rakendustes tugevad eelised.

Ränikarbiid võib olla lühiajaliselt tõhusam toode, kuna sellest on lihtsam valmistada suuremaid ja ühtlasemaid ränikarbiidplaate kui galliumnitriid. Aja jooksul leiab galliumnitriid oma suurema elektronide liikuvuse tõttu oma koha väikestes kõrgsageduslikes toodetes. Ränikarbiid on soovitavam suuremates võimsustoodetes, kuna selle võimsus on suurem kui galliumnitriidi soojusjuhtivus.

Galliumnitriid jad ränikarbiidist seadmed konkureerivad räni pooljuht- (LDMOS) MOSFET-ide ja superliite-MOSFET-idega. GaN ja SiC seadmed on mõnes mõttes sarnased, kuid on ka olulisi erinevusi.

Joonis 1. Kõrgepinge, suure voolutugevuse, lülitussageduse ja peamiste rakendusvaldkondade vaheline seos.

Laia ribalaiusega pooljuhid

WBG liitpooljuhtidel on suurem elektronide liikuvus ja suurem ribalaiuse energia, mis annab paremaid omadusi kui räni. WBG liitpooljuhtidest valmistatud transistoridel on suurem läbilöögipinge ja kõrge temperatuuritaluvus. Need seadmed pakuvad kõrgepinge ja suure võimsusega rakendustes räni ees eeliseid.

Joonis 2. Kahe stantsiga kahe-FET-kaskaadlülitus muudab GaN-transistori tavaliselt väljalülitatud seadmeks, võimaldades suure võimsusega lülitusahelates standardset täiustamisrežiimi tööd

WBG transistorid lülituvad ka kiiremini kui räni ja võivad töötada kõrgematel sagedustel. Madalam sisselülitustakistus tähendab, et need hajutavad vähem energiat, parandades energiatõhusust. See ainulaadne omaduste kombinatsioon muudab need seadmed atraktiivseks mõne kõige nõudlikuma vooluringi jaoks autotööstuses, eriti hübriid- ja elektrisõidukites.

GaN- ja SiC-transistorid autode elektriseadmete väljakutsetele vastamiseks

GaN- ja SiC-seadmete peamised eelised: kõrgepingevõime 650 V, 900 V ja 1200 V seadmetega,

Ränikarbiid:

Kõrgem 1700V.3300V ja 6500V.

Kiirem lülituskiirus,

Kõrgemad töötemperatuurid.

Väiksem takistus, minimaalne võimsuse hajumine ja suurem energiatõhusus.

GaN-seadmed

Lülitusrakendustes eelistatakse täiustusrežiimi (või E-režiimi) seadmeid, mis on tavaliselt välja lülitatud, mis viis E-režiimi GaN seadmete väljatöötamiseni. Kõigepealt tuli kahe FET-seadme kaskaad (joonis 2). Nüüd on saadaval standardsed e-režiimi GaN-seadmed. Nad võivad lülituda sagedustel kuni 10 MHz ja võimsustasemetel kuni kümneid kilovatti.

GaN-seadmeid kasutatakse laialdaselt juhtmevabades seadmetes võimsusvõimenditena sagedustel kuni 100 GHz. Mõned peamised kasutusvõimalused on mobiilside tugijaamade võimsusvõimendid, sõjaväe radarid, satelliitsaatjad ja üldine RF-võimendus. Kuid tänu kõrgele pingele (kuni 1000 V), kõrgele temperatuurile ja kiirele ümberlülitamisele on need kaasatud ka erinevatesse lülitusvõimsuse rakendustesse, nagu DC-DC muundurid, inverterid ja akulaadijad.

SiC seadmed

SiC transistorid on loomulikud E-režiimi MOSFETid. Need seadmed võivad lülituda sagedustel kuni 1 MHz ning pinge- ja voolutasemetel, mis on palju kõrgemad kui ränist MOSFET-id. Maksimaalne äravooluallika pinge on kuni umbes 1800 V ja voolutugevus on 100 amprit. Lisaks on SiC-seadmetel palju väiksem sisselülitamistakistus kui räni MOSFET-idel, mille tulemuseks on suurem tõhusus kõigis lülitustoiteallikate rakendustes (SMPS-i konstruktsioonid).

SiC-seadmed vajavad väikese sisselülitamisega seadme sisselülitamiseks 18–20-voldist paisupinget. Tavalised Si MOSFET-id vajavad täielikuks sisselülitamiseks väravas vähem kui 10 volti. Lisaks vajavad SiC-seadmed väljalülitamiseks -3 kuni -5 V väravaajamit. SiC MOSFETide kõrgepinge ja suure voolu võime muudab need ideaalseks autode toiteahelate jaoks.

Paljudes rakendustes asendatakse IGBT-d SiC-seadmetega. SiC-seadmed võivad lülituda kõrgematel sagedustel, vähendades induktiivpoolide või trafode suurust ja maksumust, parandades samal ajal tõhusust. Lisaks saab SiC hakkama suuremate vooludega kui GaN.

GaN- ja SiC-seadmete vahel on konkurents, eriti räni LDMOS-MOSFET-ide, supersiirde-MOSFET-ide ja IGBT-de vahel. Paljudes rakendustes asendatakse need GaN- ja SiC-transistoridega.

GaN-i ja SiC-i võrdluse kokkuvõtteks on siin esiletõstetud.

GaN lülitub kiiremini kui Si.

SiC töötab kõrgematel pingetel kui GaN.

SiC nõuab kõrgeid paisuajami pingeid.

Paljusid toiteahelaid ja seadmeid saab täiustada GaN ja SiC abil. Üks suurimaid kasusaajaid on autode elektrisüsteem. Kaasaegsed hübriid- ja elektrisõidukid sisaldavad seadmeid, mis neid seadmeid kasutada saavad. Mõned populaarsed rakendused on OBC-d, alalis-alalisvoolu muundurid, mootoriajamid ja LiDAR. Joonis 3 toob välja peamised alamsüsteemid elektrisõidukites, mis nõuavad suure võimsusega lülitustransistore.

Joonis 3. WBG sisseehitatud laadija (OBC) hübriid- ja elektrisõidukitele. Vahelduvvoolu sisend alaldatakse, korrigeeritakse võimsustegurit (PFC) ja seejärel teisendatakse DC-DC

DC-DC muundur. See on toiteahel, mis teisendab aku kõrge pinge madalamaks, et kasutada muid elektriseadmeid. Tänapäeva aku pinge ulatub kuni 600V või 900V. DC-DC muundur alandab selle muude elektroonikakomponentide tööks 48 V või 12 V või mõlemale (joonis 3). Hübriidelektri- ja elektrisõidukites (HEVEV) saab alalisvoolu alalisvoolu kasutada ka akuploki ja inverteri vahelise kõrgepingesiini jaoks.

Sisseehitatud laadijad (OBC-d). Pistikupesaga HEVEV-d ja EV-d sisaldavad sisemist akulaadijat, mille saab ühendada vahelduvvooluvõrku. See võimaldab laadida kodus, ilma et oleks vaja välist AC-DC laadijat (joonis 4).

Peaajami mootori juht. Põhiajam on suure võimsusega vahelduvvoolumootor, mis veab sõiduki rattaid. Juht on inverter, mis muundab mootori pööramiseks aku pinge kolmefaasiliseks vahelduvvooluks.

Joonis 4. Tüüpilist alalis-alalisvoolu muundurit kasutatakse aku kõrgete pingete muundamiseks 12 V ja/või 48 V. Kõrgepingesildades kasutatavad IGBT-d asendatakse SiC MOSFET-idega.

GaN- ja SiC-transistorid pakuvad autotööstuse elektridisaineritele paindlikkust ja lihtsamaid konstruktsioone ning suurepärast jõudlust tänu nende kõrgele pingele, suurele voolutugevusele ja kiiretele lülitusomadustele.

VeTek Semiconductor on professionaalne Hiina tootjaTantaalkarbiidi kate, Ränikarbiidi kate, GaN tooted, Spetsiaalne grafiit, Ränikarbiidist keraamikajaMuu pooljuhtkeraamika. VeTek Semiconductor on pühendunud täiustatud lahenduste pakkumisele erinevatele pooljuhtide tööstuse kattetoodetele.

Kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega kindlasti ühendust.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com