Hvad er forskellen mellem siliciumcarbid (SIC) og gallium nitrid (GAN) applikationer? - Vetek Semiconductor

SicogBeggekaldes "Wide Bandgap Semiconductors" (WBG). På grund af den anvendte produktionsproces viser WBG -enheder følgende fordele:

1. brede bandgap halvledere

Gallium Nitride (GAN)ogsiliciumcarbid (SiC)er relativt ens med hensyn til båndgab og nedbrydningsfelt. Båndgabet for galliumnitrid er 3,2 eV, mens båndgabet for siliciumcarbid er 3,4 eV. Selvom disse værdier ser ens ud, er de betydeligt højere end båndgabet for silicium. Båndafstanden for silicium er kun 1,1 eV, hvilket er tre gange mindre end for galliumnitrid og siliciumcarbid. De højere båndgab af disse forbindelser tillader galliumnitrid og siliciumcarbid komfortabelt at understøtte højere spændingskredsløb, men de kan ikke understøtte lavspændingskredsløb som silicium.

2. sammenbrud feltstyrke

Sammenbrudfelterne af galliumnitrid og siliciumcarbid er relativt ens, hvor galliumnitrid har et nedbrydningsfelt på 3,3 mV/cm og siliciumcarbid med et sammenbrudsfelt på 3,5 mV/cm. Disse nedbrydningsfelter giver forbindelserne mulighed for at håndtere højere spændinger markant bedre end almindeligt silicium. Silicon har et sammenbrudfelt på 0,3 mV/cm, hvilket betyder, at GaN og SIC næsten er ti gange mere i stand til at opretholde højere spændinger. De er også i stand til at understøtte lavere spændinger ved hjælp af markant mindre enheder.

3. High Electron Mobility Transistor (HEMT)

Den mest markante forskel mellem GaN og SiC er deres elektronmobilitet, som angiver, hvor hurtigt elektroner bevæger sig gennem halvledermaterialet. For det første har silicium en elektronmobilitet på 1500 cm^2/Vs. GaN har en elektronmobilitet på 2000 cm^2/Vs, hvilket betyder, at elektroner bevæger sig mere end 30% hurtigere end siliciums elektroner. SiC har dog en elektronmobilitet på 650 cm^2/Vs, hvilket betyder, at SiC's elektroner bevæger sig langsommere end GaN og Si's elektroner. Med så høj en elektronmobilitet er GaN næsten tre gange bedre i stand til højfrekvente applikationer. Elektroner kan bevæge sig gennem GaN-halvledere meget hurtigere end SiC.

4. Termisk ledningsevne af GaN og Sic

Et materiales varmeledningsevne er dets evne til at overføre varme gennem sig selv. Termisk ledningsevne påvirker direkte temperaturen af ​​et materiale, givet det miljø, det bruges i. I højeffektapplikationer genererer materialets ineffektivitet varme, som hæver materialets temperatur og efterfølgende ændrer dets elektriske egenskaber. GaN har en termisk ledningsevne på 1,3 W/cmK, hvilket faktisk er dårligere end silicium, som har en ledningsevne på 1,5 W/cmK. SiC har dog en termisk ledningsevne på 5 W/cmK, hvilket gør den næsten tre gange bedre til at overføre varmebelastninger. Denne egenskab gør SiC yderst fordelagtig i højeffekt- og højtemperaturapplikationer.

5. Fremstillingsproces for halvlederwafer

Nuværende fremstillingsprocesser er en begrænsende faktor for GaN og SiC, fordi de er dyrere, mindre præcise eller mere energikrævende end de almindeligt anvendte siliciumfremstillingsprocesser. For eksempel indeholder GaN et stort antal krystaldefekter over et lille område. Silicium kan derimod kun indeholde 100 fejl per kvadratcentimeter. Det er klart, at denne enorme defektrate gør GaN ineffektiv. Mens producenterne har gjort store fremskridt i de seneste år, kæmper GaN stadig for at opfylde de strenge krav til halvlederdesign.

6. Power Semiconductor Market

Sammenlignet med silicium begrænser den nuværende produktionsteknologi omkostningseffektiviteten af ​​galliumnitrid og siliciumcarbid, hvilket gør begge højeffektmaterialer dyrere på kort sigt. Begge materialer har dog stærke fordele i specifikke halvlederapplikationer.

Siliciumcarbid kan være et mere effektivt produkt på kort sigt, fordi det er lettere at fremstille større og mere ensartede SiC-skiver end galliumnitrid. Over tid vil galliumnitrid finde sin plads i små, højfrekvente produkter på grund af dets højere elektronmobilitet. Siliciumcarbid vil være mere ønskværdigt i større kraftprodukter, fordi dets effektkapacitet er højere end galliumnitrids termiske ledningsevne.

Galliumnitrid and siliciumcarbidenheder konkurrerer med siliciumhalvleder (LDMOS) MOSFET'er og superjunction MOSFET'er. GaN- og SiC-enheder ligner på nogle måder, men der er også betydelige forskelle.

Figur 1. Forholdet mellem højspænding, høj strøm, skiftefrekvens og større anvendelsesområder.

Brede bandgap halvledere

WBG -sammensatte halvledere har højere elektronmobilitet og højere båndgapenergi, hvilket oversættes til overlegne egenskaber i forhold til silicium. Transistorer fremstillet af WBG -sammensatte halvledere har højere nedbrydningspændinger og tolerance over for høje temperaturer. Disse enheder giver fordele i forhold til silicium i højspændings- og højeffektapplikationer.

Figur 2.. En dobbelt-die dobbeltfet-kaskade-kredsløb konverterer en GAN-transistor til en normalt off-enhed, der muliggør standardforbedringstilstand i drift af højeffekt

WBG-transistorer skifter også hurtigere end silicium og kan fungere ved højere frekvenser. Lavere "on"-modstand betyder, at de spreder mindre strøm, hvilket forbedrer energieffektiviteten. Denne unikke kombination af egenskaber gør disse enheder attraktive for nogle af de mest krævende kredsløb i bilindustrien, især hybrid- og elektriske køretøjer.

GAN- og SIC -transistorer til at imødekomme udfordringer inden for elektrisk udstyr til bilindustrien

Vigtigste fordele ved GaN- og SiC-enheder: Højspændingskapacitet med 650 V, 900 V og 1200 V-enheder,

Siliciumcarbid:

Højere 1700v.3300v og 6500V.

Hurtigere skiftehastigheder,

Højere driftstemperaturer.

Lavere af modstand, minimal effektafledning og højere energieffektivitet.

GAN -enheder

Ved skift af applikationer foretrækkes enhancement-mode (eller E-mode) enheder, som normalt er "off", hvilket førte til udviklingen af ​​E-mode GaN-enheder. Først kom kaskaden af ​​to FET-enheder (figur 2). Nu er standard e-mode GaN-enheder tilgængelige. De kan skifte ved frekvenser op til 10 MHz og effektniveauer op til snesevis af kilowatt.

GAN -enheder er vidt brugt i trådløst udstyr som effektforstærkere ved frekvenser op til 100 GHz. Nogle af de vigtigste anvendelsessager er cellulære basestationsstyrkeforstærkere, militære radarer, satellittransmittere og generel RF -amplifikation. På grund af højspænding (op til 1.000 V), høj temperatur og hurtig skift er de også indarbejdet i forskellige switching-strømanvendelser, såsom DC-DC-konvertere, invertere og batteriopladere.

Sic-enheder

Sic-transistorer er naturlige E-mode MOSFET'er. Disse enheder kan skifte ved frekvenser op til 1 MHz og ved spændings- og strømniveauer meget højere end silicium MOSFET'er. Maksimal drænkildespænding er op til omkring 1.800 V, og strømkapaciteten er 100 ampere. Derudover har SiC-enheder en meget lavere on-modstand end silicium MOSFET'er, hvilket resulterer i højere effektivitet i alle switching power supply applikationer (SMPS designs).

SIC-enheder kræver et portspændingsdrev på 18 til 20 volt for at tænde for enheden med lav modstand. Standard SI MOSFETS kræver mindre end 10 volt ved porten for at tænde fuldt ud. Derudover kræver SIC -enheder et -3 til -5 V -portdrev for at skifte til off -tilstand. Den høje spænding, høje strømkapaciteter i SIC MOSFETs gør dem ideelle til bilkredsløb.

I mange applikationer erstattes IGBT'er med SIC -enheder. SIC -enheder kan skifte ved højere frekvenser, hvilket reducerer størrelsen og omkostningerne ved induktorer eller transformatorer, mens de forbedrer effektiviteten. Derudover kan SIC håndtere højere strømme end GaN.

Der er konkurrence mellem GaN og SIC -enheder, især silicium LDMOS MOSFETS, superjunction MOSFETS og IGBTS. I mange applikationer erstattes de af GAN- og SIC -transistorer.

For at opsummere sammenligningen mellem GaN og SiC er her højdepunkterne:

GAN skifter hurtigere end SI.

SIC fungerer ved højere spændinger end GaN.

Sic kræver høje gate-drivspændinger.

Mange strømkredsløb og enheder kan forbedres ved at designe med GaN og SIC. En af de største modtagere er det elektriske system til bilindustrien. Moderne hybrid- og elektriske køretøjer indeholder enheder, der kan bruge disse enheder. Nogle af de populære applikationer er OBC'er, DC-DC-konvertere, motordrev og LIDAR. Figur 3 påpeger de vigtigste delsystemer i elektriske køretøjer, der kræver transistorer med høj strømafbryder.

Figur 3. WBG On-Board Charger (OBC) for hybrid- og elektriske køretøjer. AC-indgangen er rettet, effektfaktor korrigeret (PFC), og derefter konverterede DC-DC

DC-DC-konverter. Dette er et strømkredsløb, der konverterer den høje batterispænding til en lavere spænding for at køre andre elektriske enheder. Dagens batterispænding varierer op til 600V eller 900V. DC-DC-konverteren trækker den ned til 48V eller 12V eller begge dele til drift af andre elektroniske komponenter (figur 3). I hybrid elektriske og elektriske køretøjer (HEVEV'er) kan DC-DC også bruges til højspændingsbussen mellem batteripakken og inverteren.

On-bordopladere (OBC'er). Plug-in HEVEVS og EVS indeholder en intern batterioplader, der kan tilsluttes en AC Mains Supply. Dette tillader opladning derhjemme uden behov for en ekstern AC -DC -oplader (figur 4).

Hoveddrivmotordriver. Hoveddrivmotoren er en AC-motor med høj output, der driver køretøjets hjul. Driveren er en inverter, der konverterer batterispændingen til trefaset AC for at dreje motoren.

Figur 4. En typisk DC-DC-konverter bruges til at konvertere høje batterispændinger til 12 V og/eller 48 V. Igbts, der bruges i højspændingsbroer, erstattes af SIC MOSFETs.

Begge- og SIC -transistorer tilbyder elektriske designere af bildesignere og enklere design samt overlegen ydelse på grund af deres højspænding, høje strøm og hurtige skiftegenskaber.

Vetek Semiconductor er en professionel kinesisk producent afTantalcarbidbelægning, Siliciumcarbidbelægning, Begge produkter, Speciel grafit, SiliciumcarbidkeramikogAnden halvlederkeramik. VeTek Semiconductor er forpligtet til at levere avancerede løsninger til forskellige belægningsprodukter til halvlederindustrien.

Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Mob/whatsapp: +86-180 6922 0752

E -mail: Anny@veteksemi.com