Vad är skillnaden mellan kiselkarbid (SIC) och galliumnitrid (GAN) applikationer? - Vetek Semiconductor

SicochBådekallas "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 nedbrytningsfält. Bandgap av galliumnitrid är 3,2 eV, medan bandgapet för kiselkarbid är 3,4 eV. Även om dessa värden verkar liknande är de betydligt högre än bandgapet av kisel. Bandgapet av kisel är bara 1,1 eV, vilket är tre gånger mindre än för galliumnitrid och kiselkarbid. De högre bandgaparna i dessa föreningar tillåter galliumnitrid och kiselkarbid att bekvämt stödja högre spänningskretsar, men de kan inte stödja lågspänningskretsar som kisel.

2. 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 betydande skillnaden mellan GaN och Sic är deras elektronrörlighet, vilket indikerar hur snabba elektroner rör sig genom halvledarmaterialet. Först har kisel en elektronmobilitet på 1500 cm^2/vs. GaN har en elektronmobilitet på 2000 cm^2/vs, vilket innebär att elektroner rör sig mer än 30% snabbare än Silicons elektroner. SiC har emellertid en elektronmobilitet 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 applikationer. Elektroner kan röra sig genom GaN -halvledare mycket snabbare än SIC.

4. GAN och SIC: s värmeledning

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. Semiconductor Wafer Manufacturing Process

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 den nuvarande tillverkningstekniken kostnadseffektiviteten för galliumnitrid och kiselkarbid, vilket gör både högeffektmaterial dyrare på kort sikt. Båda materialen har emellertid 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 produkter med hög frekvens med tanke på sin högre elektronmobilitet. Kiselkarbid kommer att vara mer önskvärt i större kraftprodukter eftersom dess kraftfunktioner är högre än galliumnitridens 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, omkopplingsfrekvens och större appliceringsområden.

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 dubbel-die dual-fet cascade krets konverterar en GaN-transistor till en normalt avstängd anordning, vilket möjliggör standardförbättringsläge i högeffektbyten kretsar

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

GAN och SIC -transistorer för att möta utmaningar inom bilutrustning

Viktiga fördelar med GaN- och SIC -enheter: högspänningsförmåga, med 650 V, 900 V och 1200 V -enheter,

Kiselkarbid:

Högre 1700V.3300V och 6500V.

Snabbare växlingshastigheter,

Högre driftstemperaturer.

Lägre mot resistens, minimal kraftfördelning och högre energieffektivitet.

Både-enheter

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

Både-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:er av 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 Silicon LDMOS MOSFETS, SuperJunction MOSFETS och IGBTS. I många applikationer ersätts de av GaN- och SIC -transistorer.

För att sammanfatta GaN vs. Sic -jämförelsen, här är höjdpunkterna:

Både växlar snabbare än Si.

SIC fungerar vid högre spänningar än GaN.

SIC kräver höga grinddrivspänningar.

Många kraftkretsar och enheter kan förbättras genom att designa med GaN och SIC. En av de största mottagarna är fordonets elektriska system. Moderna hybrid- och elektriska fordon innehåller enheter som kan använda dessa enheter. Några av de populära applikationerna är OBC: er, DC-DC-omvandlare, motoriska enheter och Lidar. Figur 3 påpekar de viktigaste delsystemen i elektriska fordon som kräver transistorer med hög effekt.

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 konverterar den höga batterispänningen till en lägre spänning för att köra andra elektriska enheter. Dagens batterispänning varierar upp till 600V eller 900V. DC-DC-omvandlaren går ner till 48V eller 12V, eller båda, för drift av andra elektroniska komponenter (figur 3). I hybridelektriska och elektriska fordon (HEVEV) kan DC-DC också användas för högspänningsbussen mellan batteripaketet och växelriktaren.

Ombordladdare (OBC). Plug-in HeveVs och EVs innehåller en intern batteriladdare som kan anslutas till en AC-elnät. Detta tillåter laddning hemma utan att behöva en extern AC -DC -laddare (figur 4).

Main Drive Motor Driver. Den huvudsakliga drivmotorn är en High-output AC-motor som driver fordonets hjul. Föraren är en växelriktare som konverterar batterispänningen till trefas AC för att vrida motorn.

Figur 4. En typisk DC-DC-omvandlare används för att konvertera höga batterispänningar till 12 V och/eller 48 V. IGBT som används i högspänningsbroar ersätts av SIC MOSFETS.

Både- och SIC -transistorer erbjuder fordonets elektriska designers flexibilitet och enklare mönster samt överlägsen prestanda på grund av deras höga spännings-, höga ström och snabba växlingsegenskaper.

VeTek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avTantalkarbidbeläggning, Kiselkarbidbeläggning, Både produkter, Speciell grafit, Kiselkarbid keramikochAnnan 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