Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng mga aplikasyon ng silikon na karbida (sic) at mga aplikasyon ng gallium nitride (GaN)? - Vetek Semiconductor

SicatParehoay tinutukoy bilang "wide bandgap semiconductors" (WBG). Dahil sa proseso ng produksyon na ginamit, ang mga aparatong WBG ay nagpapakita ng mga sumusunod na pakinabang:

1. Malawak na bandgap semiconductors

Gallium nitride (gan)atSilicon Carbide (sic)ay medyo katulad sa mga tuntunin ng Bandgap at Breakdown Field. Ang bandgap ng gallium nitride ay 3.2 eV, habang ang bandgap ng silikon na karbida ay 3.4 eV. Bagaman ang mga halagang ito ay lumilitaw na katulad, ang mga ito ay makabuluhang mas mataas kaysa sa bandgap ng silikon. Ang bandgap ng silikon ay 1.1 eV lamang, na kung saan ay tatlong beses na mas maliit kaysa sa gallium nitride at silikon na karbida. Ang mas mataas na bandgaps ng mga compound na ito ay nagbibigay -daan sa gallium nitride at silikon na karbida upang kumportable na suportahan ang mas mataas na mga circuit circuit, ngunit hindi nila masuportahan ang mga mababang boltahe na circuit tulad ng silikon.

2. Lakas ng Breakdown Field

Ang mga patlang ng breakdown ng gallium nitride at silikon na karbida ay medyo katulad, na may gallium nitride na mayroong isang patlang na breakdown na 3.3 mV/cm at silikon na karbida na mayroong isang breakdown field na 3.5 mV/cm. Ang mga patlang na breakdown na ito ay nagpapahintulot sa mga compound na hawakan ang mas mataas na mga boltahe na makabuluhang mas mahusay kaysa sa regular na silikon. Ang Silicon ay may larangan ng breakdown na 0.3 mV/cm, na nangangahulugang ang GaN at Sic ay halos sampung beses na mas may kakayahang mapanatili ang mas mataas na boltahe. Nagagawa din nilang suportahan ang mas mababang mga boltahe gamit ang makabuluhang mas maliit na mga aparato.

3. Mataas na Electron Mobility Transistor (HEMT)

Ang pinaka makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng GaN at SiC ay ang kanilang electron mobility, na nagpapahiwatig kung gaano kabilis ang paglipat ng mga electron sa materyal na semiconductor. Una, ang silikon ay may electron mobility na 1500 cm^2/Vs. Ang GaN ay may electron mobility na 2000 cm^2/Vs, na nangangahulugan na ang mga electron ay gumagalaw nang higit sa 30% na mas mabilis kaysa sa mga electron ng silicon. Gayunpaman, ang SiC ay may electron mobility na 650 cm^2/Vs, na nangangahulugan na ang mga electron ng SiC ay gumagalaw nang mas mabagal kaysa sa mga electron ng GaN at Si. Sa ganoong mataas na kadaliang kumilos ng elektron, halos tatlong beses na mas may kakayahan ang GaN para sa mga application na may mataas na dalas. Ang mga electron ay maaaring lumipat sa GaN semiconductors nang mas mabilis kaysa sa SiC.

4. Thermal conductivity ng gan at sic

Ang thermal conductivity ng isang materyal ay ang kakayahang ilipat ang init sa pamamagitan ng sarili. Ang thermal conductivity ay direktang nakakaapekto sa temperatura ng isang materyal, na ibinigay sa kapaligiran kung saan ginagamit ito. Sa mga application na may mataas na kapangyarihan, ang kawalan ng kakayahan ng materyal ay bumubuo ng init, na pinalalaki ang temperatura ng materyal at kasunod na nagbabago ang mga katangian ng elektrikal. Ang GaN ay may thermal conductivity na 1.3 w/cmk, na talagang mas masahol kaysa sa silikon, na mayroong conductivity ng 1.5 w/cmk. Gayunpaman, ang SIC ay may thermal conductivity ng 5 w/cmk, na ginagawa itong halos tatlong beses na mas mahusay sa paglilipat ng mga nag -load ng init. Ang ari-arian na ito ay ginagawang lubos na kapaki-pakinabang ang SIC sa mataas na kapangyarihan, mga aplikasyon ng mataas na temperatura.

5. Proseso ng Paggawa ng Semiconductor Wafer

Ang mga kasalukuyang proseso ng pagmamanupaktura ay isang limiting factor para sa GaN at SiC dahil ang mga ito ay mas mahal, hindi gaanong tumpak, o mas maraming enerhiya kaysa sa malawakang pinagtibay na mga proseso ng pagmamanupaktura ng silikon. Halimbawa, ang GaN ay naglalaman ng malaking bilang ng mga kristal na depekto sa isang maliit na lugar. Ang Silicon, sa kabilang banda, ay maaari lamang maglaman ng 100 mga depekto bawat square centimeter. Malinaw, ang malaking rate ng depekto na ito ay ginagawang hindi mahusay ang GaN. Habang ang mga tagagawa ay gumawa ng mahusay na mga hakbang sa mga nakaraang taon, ang GaN ay nagpupumilit pa rin na matugunan ang mahigpit na mga kinakailangan sa disenyo ng semiconductor.

6. Power Semiconductor Market

Kung ikukumpara sa silicon, nililimitahan ng kasalukuyang teknolohiya sa pagmamanupaktura ang pagiging epektibo sa gastos ng gallium nitride at silicon carbide, na ginagawang mas mahal ang parehong high-power na materyales sa maikling panahon. Gayunpaman, ang parehong mga materyales ay may malakas na pakinabang sa mga tiyak na aplikasyon ng semiconductor.

Ang Silicon Carbide ay maaaring maging isang mas epektibong produkto sa maikling panahon dahil mas madaling gumawa ng mas malaki at mas pantay na mga wafer ng SIC kaysa sa gallium nitride. Sa paglipas ng panahon, mahahanap ng Gallium Nitride ang lugar nito sa maliit, mataas na dalas na mga produkto na binigyan ng mas mataas na kadaliang kumilos ng elektron. Ang Silicon Carbide ay magiging mas kanais -nais sa mas malaking mga produkto ng kuryente dahil ang mga kakayahan ng kapangyarihan nito ay mas mataas kaysa sa thermal conductivity ng Gallium Nitride.

Gallium nitride anD Mga aparato ng karbida ng Silicon ay nakikipagkumpitensya sa Silicon Semiconductor (LDMOS) MOSFETS at Superjunction MOSFETS. Ang mga aparato ng Gan at Sic ay magkatulad sa ilang mga paraan, ngunit mayroon ding mga makabuluhang pagkakaiba.

Figure 1. Ang ugnayan sa pagitan ng mataas na boltahe, mataas na kasalukuyang, dalas ng paglipat, at mga pangunahing lugar ng aplikasyon.

Malapad na Bandgap Semiconductors

Ang WBG compound semiconductors ay may mas mataas na kadaliang mapakilos ng elektron at mas mataas na enerhiya ng bandgap, na isinasalin sa higit na mahusay na mga katangian sa paglipas ng silikon. Ang mga transistor na ginawa mula sa WBG compound semiconductors ay may mas mataas na breakdown voltages at pagpapaubaya sa mataas na temperatura. Ang mga aparatong ito ay nag-aalok ng mga pakinabang sa silikon sa mga high-boltahe at mataas na kapangyarihan na aplikasyon.

Larawan 2. Ang isang dual-dual-fet cascade circuit ay nagko-convert ng isang GaN transistor sa isang normal na off na aparato, na nagpapagana ng karaniwang operasyon ng pagpapahusay ng mode sa mga high-power switch circuit

Ang mga transistor ng WBG ay lumilipat din nang mas mabilis kaysa sa silikon at maaaring gumana sa mas mataas na mga frequency. Ang mas mababang "on" na resistensya ay nangangahulugan na ang mga ito ay nagwawaldas ng mas kaunting kapangyarihan, na nagpapabuti sa kahusayan ng enerhiya. Ang natatanging kumbinasyon ng mga katangian ay ginagawang kaakit-akit ang mga device na ito para sa ilan sa mga pinaka-hinihingi na circuit sa mga automotive application, partikular na ang hybrid at electric na sasakyan.

Gan at Sic Transistors upang matugunan ang mga hamon sa kagamitan sa de -koryenteng automotiko

Mga pangunahing benepisyo ng GaN at SiC device: Mataas na boltahe na kakayahan, na may 650 V, 900 V at 1200 V na device,

Silicon carbide:

Mas mataas na 1700V.3300V at 6500V.

Mas mabilis na bilis ng paglipat,

Mas mataas na temperatura ng operating.

Mas mababa sa resistensya, minimal na pagkawala ng kuryente, at mas mataas na kahusayan sa enerhiya.

Mga aparato ng gan

Sa paglipat ng mga aplikasyon, ang mga aparato ng pagpapahusay-mode (o e-mode), na karaniwang "off", ay ginustong, na humantong sa pagbuo ng mga aparato ng e-mode na GaN. Una ay dumating ang kaskad ng dalawang aparato ng FET (Larawan 2). Ngayon, magagamit ang mga karaniwang e-mode na aparato ng GaN. Maaari silang lumipat sa mga frequency hanggang sa 10 MHz at mga antas ng kapangyarihan hanggang sa sampu -sampung mga kilowatt.

Ang mga aparato ng Gan ay malawakang ginagamit sa mga wireless na kagamitan bilang mga amplifier ng kuryente sa mga frequency hanggang sa 100 GHz. Ang ilan sa mga pangunahing kaso ng paggamit ay mga cellular base station amplifier, military radar, satellite transmitters, at pangkalahatang pagpapalakas ng RF. Gayunpaman, dahil sa mataas na boltahe (hanggang sa 1,000 V), mataas na temperatura, at mabilis na paglipat, isinasama rin sila sa iba't ibang mga aplikasyon ng paglilipat ng kapangyarihan tulad ng mga DC-DC converters, inverters, at mga charger ng baterya.

Mga SiC Device

Ang mga SiC transistors ay mga natural na E-mode na MOSFET. Ang mga device na ito ay maaaring lumipat sa mga frequency hanggang 1 MHz at sa mga antas ng boltahe at kasalukuyang mas mataas kaysa sa mga MOSFET ng silikon. Ang maximum na drain-source na boltahe ay hanggang sa humigit-kumulang 1,800 V, at ang kasalukuyang kakayahan ay 100 amps. Bukod pa rito, ang mga SiC device ay may mas mababang on-resistance kaysa sa mga silicon na MOSFET, na nagreresulta sa mas mataas na kahusayan sa lahat ng switching power supply application (mga disenyo ng SMPS).

Ang mga aparato ng SIC ay nangangailangan ng isang drive ng boltahe ng gate na 18 hanggang 20 volts upang i-on ang aparato na may mababang on-resistensya. Ang karaniwang Si MOSFET ay nangangailangan ng mas mababa sa 10 volts sa gate upang ganap na i -on. Bilang karagdagan, ang mga aparato ng SIC ay nangangailangan ng isang -3 hanggang -5 V gate drive upang lumipat sa off state. Ang mataas na boltahe, mataas na kasalukuyang kakayahan ng SIC MOSFETS ay ginagawang perpekto para sa mga circuit ng automotive power.

Sa maraming application, ang mga IGBT ay pinapalitan ng mga SiC device. Maaaring lumipat ang mga SiC device sa mas mataas na frequency, na binabawasan ang laki at gastos ng mga inductors o transformer habang pinapabuti ang kahusayan. Bilang karagdagan, ang SiC ay maaaring humawak ng mas mataas na mga alon kaysa sa GaN.

Mayroong kumpetisyon sa pagitan ng GaN at SiC device, lalo na sa mga silicon na LDMOS MOSFET, superjunction MOSFET, at IGBT. Sa maraming mga aplikasyon, sila ay pinapalitan ng GaN at SiC transistors.

Upang ibuod ang paghahambing ng GaN vs. SiC, narito ang mga highlight:

Ang GaN ay lumipat nang mas mabilis kaysa sa Si.

Gumagana ang SiC sa mas mataas na boltahe kaysa sa GaN.

Ang SIC ay nangangailangan ng mataas na boltahe ng drive ng gate.

Maraming mga circuit ng kuryente at aparato ang maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagdidisenyo kasama ang GaN at SIC. Ang isa sa mga pinakamalaking benepisyaryo ay ang automotive electrical system. Ang mga modernong hybrid at electric na sasakyan ay naglalaman ng mga aparato na maaaring gumamit ng mga aparatong ito. Ang ilan sa mga tanyag na aplikasyon ay ang mga OBC, DC-DC converters, motor drive, at LIDAR. Itinuturo ng Figure 3 ang pangunahing mga subsystem sa mga de -koryenteng sasakyan na nangangailangan ng mataas na power transistors.

Larawan 3. WBG on-board charger (OBC) para sa mga hybrid at electric na sasakyan. Ang input ng AC ay naayos, naitama ang factor ng kuryente (PFC), at pagkatapos ay na-convert ang DC-DC

DC-DC converter. Ito ay isang power circuit na nagko-convert ng mataas na boltahe ng baterya sa isang mas mababang boltahe upang patakbuhin ang iba pang mga de-koryenteng aparato. Ang boltahe ng baterya ngayon ay umaabot hanggang 600V o 900V. Ang DC-DC converter ay bumababa sa 48V o 12V, o pareho, para sa pagpapatakbo ng iba pang mga elektronikong bahagi (Larawan 3). Sa mga hybrid na electric at electric vehicle (HEVEV), maaari ding gamitin ang DC-DC para sa high-voltage na bus sa pagitan ng battery pack at ng inverter.

Mga on-board charger (OBCs). Ang mga plug-in na HEVEV at EV ay naglalaman ng isang panloob na charger ng baterya na maaaring konektado sa isang suplay ng AC mains. Pinapayagan nito ang singilin sa bahay nang walang pangangailangan para sa isang panlabas na AC - DC charger (Larawan 4).

Pangunahing driver ng motor driver. Ang pangunahing motor ng drive ay isang high-output AC motor na nagtutulak ng mga gulong ng sasakyan. Ang driver ay isang inverter na nagko-convert ng boltahe ng baterya sa three-phase AC upang i-on ang motor.

Larawan 4. Ang isang tipikal na converter ng DC-DC ay ginagamit upang mai-convert ang mataas na boltahe ng baterya sa 12 V at/o 48 V. IGBT na ginamit sa mga tulay na may mataas na boltahe ay pinalitan ng SIC MOSFETS.

Nag -aalok ang GaN at SIC transistors ng kakayahang umangkop sa mga de -koryenteng de -koryenteng disenyo at mas simpleng disenyo pati na rin ang higit na mahusay na pagganap dahil sa kanilang mataas na boltahe, mataas na kasalukuyang, at mabilis na mga katangian ng paglipat.

Ang Vetek Semiconductor ay isang propesyonal na tagagawa ng Tsino ngTantalum Carbide Coating, Silicon Carbide Coating, Mga produkto ng Pareho, Espesyal na Graphite, Silicon Carbide CeramicsatIba pang Semiconductor Ceramics. Ang Vetek Semiconductor ay nakatuon sa pagbibigay ng mga advanced na solusyon para sa iba't ibang mga produkto ng patong para sa industriya ng semiconductor.

Kung mayroon kang anumang mga katanungan o kailangan ng karagdagang mga detalye, mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnayan sa amin.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com