Wat is het verschil tussen siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) toepassingen? - VeTek-halfgeleider

SiCEnGaNworden "wide bandgap semiconductors" (WBG) genoemd. Vanwege het gebruikte productieproces vertonen WBG-apparaten de volgende voordelen:

1. Halfgeleiders met grote bandbreedte

Galliumnitride (GaN)Ensiliciumcarbide (SiC)zijn relatief vergelijkbaar in termen van bandafstand en doorslagveld. De bandafstand van galliumnitride is 3,2 eV, terwijl de bandafstand van siliciumcarbide 3,4 eV is. Hoewel deze waarden vergelijkbaar lijken, zijn ze aanzienlijk hoger dan de bandafstand van silicium. De bandafstand van silicium is slechts 1,1 eV, wat drie keer kleiner is dan die van galliumnitride en siliciumcarbide. Door de hogere bandafstanden van deze verbindingen kunnen galliumnitride en siliciumcarbide op comfortabele wijze circuits met hogere spanning ondersteunen, maar ze kunnen geen laagspanningscircuits zoals silicium ondersteunen.

2. Uitsplitsingsveldsterkte

De doorslagvelden van galliumnitride en siliciumcarbide zijn relatief vergelijkbaar, waarbij galliumnitride een doorslagveld heeft van 3,3 MV/cm en siliciumcarbide een doorslagveld heeft van 3,5 MV/cm. Door deze doorslagvelden kunnen de verbindingen aanzienlijk beter omgaan met hogere spanningen dan gewoon silicium. Silicium heeft een doorslagveld van 0,3 MV/cm, wat betekent dat GaN en SiC bijna tien keer beter in staat zijn hogere spanningen aan te houden. Ze kunnen ook lagere spanningen ondersteunen met aanzienlijk kleinere apparaten.

3. Transistor met hoge elektronenmobiliteit (HEMT)

Het belangrijkste verschil tussen GaN en SiC is hun elektronenmobiliteit, die aangeeft hoe snel elektronen door het halfgeleidermateriaal bewegen. Ten eerste heeft silicium een ​​elektronenmobiliteit van 1500 cm^2/Vs. GaN heeft een elektronenmobiliteit van 2000 cm^2/Vs, wat betekent dat elektronen ruim 30% sneller bewegen dan de elektronen van silicium. SiC heeft echter een elektronenmobiliteit van 650 cm^2/Vs, wat betekent dat de elektronen van SiC langzamer bewegen dan de elektronen van GaN en Si. Met zo'n hoge elektronenmobiliteit is GaN bijna drie keer beter geschikt voor hoogfrequente toepassingen. Elektronen kunnen veel sneller door GaN-halfgeleiders bewegen dan SiC.

4. Thermische geleidbaarheid van GaN en SiC

De thermische geleidbaarheid van een materiaal is het vermogen om warmte door zichzelf over te dragen. Thermische geleidbaarheid heeft rechtstreeks invloed op de temperatuur van een materiaal, gegeven de omgeving waarin het wordt gebruikt. Bij toepassingen met hoog vermogen genereert de inefficiëntie van het materiaal warmte, waardoor de temperatuur van het materiaal stijgt en vervolgens de elektrische eigenschappen ervan veranderen. GaN heeft een thermische geleidbaarheid van 1,3 W/cmK, wat eigenlijk slechter is dan die van silicium, dat een geleidbaarheid heeft van 1,5 W/cmK. SiC heeft echter een thermische geleidbaarheid van 5 W/cmK, waardoor het bijna drie keer beter is in het overbrengen van warmtebelastingen. Deze eigenschap maakt SiC zeer voordelig in toepassingen met hoog vermogen en hoge temperaturen.

5. Productieproces van halfgeleiderwafels

De huidige productieprocessen zijn een beperkende factor voor GaN en SiC omdat ze duurder, minder nauwkeurig of energie-intensiever zijn dan de algemeen aanvaarde productieprocessen voor silicium. GaN bevat bijvoorbeeld een groot aantal kristaldefecten over een klein gebied. Silicium daarentegen kan slechts 100 defecten per vierkante centimeter bevatten. Het is duidelijk dat dit enorme defectpercentage GaN inefficiënt maakt. Hoewel fabrikanten de afgelopen jaren grote vooruitgang hebben geboekt, worstelt GaN nog steeds met het voldoen aan de strenge ontwerpeisen voor halfgeleiders.

6. Markt voor vermogenshalfgeleiders

Vergeleken met silicium beperkt de huidige productietechnologie de kosteneffectiviteit van galliumnitride en siliciumcarbide, waardoor beide krachtige materialen op korte termijn duurder worden. Beide materialen hebben echter sterke voordelen in specifieke halfgeleidertoepassingen.

Siliciumcarbide kan op de korte termijn een effectiever product zijn, omdat het gemakkelijker is om grotere en uniformere SiC-wafels te vervaardigen dan galliumnitride. Na verloop van tijd zal galliumnitride zijn plaats vinden in kleine, hoogfrequente producten, gezien de hogere elektronenmobiliteit. Siliciumcarbide zal wenselijker zijn in grotere energieproducten omdat het vermogen ervan hoger is dan de thermische geleidbaarheid van galliumnitride.

Galliumnitride eend Siliciumcarbide-apparaten concurreren met silicium halfgeleider (LDMOS) MOSFET's en superjunctie-MOSFET's. GaN- en SiC-apparaten lijken in sommige opzichten op elkaar, maar er zijn ook aanzienlijke verschillen.

Figuur 1. De relatie tussen hoge spanning, hoge stroom, schakelfrequentie en belangrijke toepassingsgebieden.

Halfgeleiders met grote bandbreedte

WBG-samengestelde halfgeleiders hebben een hogere elektronenmobiliteit en een hogere bandgap-energie, wat zich vertaalt in superieure eigenschappen ten opzichte van silicium. Transistors gemaakt van WBG-samengestelde halfgeleiders hebben hogere doorslagspanningen en tolerantie voor hoge temperaturen. Deze apparaten bieden voordelen ten opzichte van silicium in toepassingen met hoge spanning en hoog vermogen.

Figuur 2. Een dual-die dual-FET-cascadecircuit zet een GaN-transistor om in een normaal uitgeschakeld apparaat, waardoor standaardverbeteringsmoduswerking in schakelcircuits met hoog vermogen mogelijk wordt

WBG-transistoren schakelen ook sneller dan silicium en kunnen op hogere frequenties werken. Een lagere ‘aan’-weerstand betekent dat ze minder stroom verbruiken, waardoor de energie-efficiëntie verbetert. Deze unieke combinatie van kenmerken maakt deze apparaten aantrekkelijk voor enkele van de meest veeleisende circuits in automobieltoepassingen, met name hybride en elektrische voertuigen.

GaN- en SiC-transistors om uitdagingen op het gebied van elektrische auto-apparatuur aan te gaan

Belangrijkste voordelen van GaN- en SiC-apparaten: Hoogspanningsvermogen, met 650 V-, 900 V- en 1200 V-apparaten,

Siliciumcarbide:

Hogere 1700V.3300V en 6500V.

Hogere schakelsnelheden,

Hogere bedrijfstemperaturen.

Lagere weerstand, minimale vermogensdissipatie en hogere energie-efficiëntie.

GaN-apparaten

Bij schakeltoepassingen wordt de voorkeur gegeven aan apparaten in de Enhancement-modus (of E-modus), die meestal 'uit' zijn, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van GaN-apparaten in de E-modus. Eerst kwam de cascade van twee FET-apparaten (Figuur 2). Nu zijn standaard e-mode GaN-apparaten beschikbaar. Ze kunnen schakelen op frequenties tot 10 MHz en vermogensniveaus tot tientallen kilowatt.

GaN-apparaten worden veel gebruikt in draadloze apparatuur als eindversterkers bij frequenties tot 100 GHz. Enkele van de belangrijkste toepassingen zijn vermogensversterkers voor mobiele basisstations, militaire radars, satellietzenders en algemene RF-versterking. Vanwege de hoge spanning (tot 1.000 V), de hoge temperatuur en het snelle schakelen worden ze echter ook opgenomen in verschillende schakelstroomtoepassingen, zoals DC-DC-converters, omvormers en batterijladers.

SiC-apparaten

SiC-transistors zijn natuurlijke E-mode MOSFET's. Deze apparaten kunnen schakelen op frequenties tot 1 MHz en op spannings- en stroomniveaus die veel hoger zijn dan silicium-MOSFET's. De maximale drain-source-spanning bedraagt ​​maximaal ongeveer 1.800 V, en het stroomvermogen is 100 ampère. Bovendien hebben SiC-apparaten een veel lagere aan-weerstand dan silicium-MOSFET's, wat resulteert in een hogere efficiëntie in alle schakelende voedingstoepassingen (SMPS-ontwerpen).

SiC-apparaten hebben een poortspanningsaandrijving van 18 tot 20 volt nodig om het apparaat met een lage aan-weerstand in te schakelen. Standaard Si MOSFET's hebben minder dan 10 volt aan de poort nodig om volledig in te schakelen. Bovendien hebben SiC-apparaten een poortaandrijving van -3 tot -5 V nodig om naar de uit-status te schakelen. De hoge spanning en hoge stroommogelijkheden van SiC MOSFET's maken ze ideaal voor stroomcircuits in auto's.

In veel toepassingen worden IGBT's vervangen door SiC-apparaten. SiC-apparaten kunnen op hogere frequenties schakelen, waardoor de omvang en de kosten van inductoren of transformatoren worden verminderd en de efficiëntie wordt verbeterd. Bovendien kan SiC hogere stromen aan dan GaN.

Er is concurrentie tussen GaN- en SiC-apparaten, met name silicium LDMOS MOSFET's, superjunctie-MOSFET's en IGBT's. In veel toepassingen worden ze vervangen door GaN- en SiC-transistoren.

Om de GaN versus SiC-vergelijking samen te vatten, zijn hier de hoogtepunten:

GaN schakelt sneller dan Si.

SiC werkt op hogere spanningen dan GaN.

SiC vereist hoge poortaandrijfspanningen.

Veel stroomcircuits en apparaten kunnen worden verbeterd door te ontwerpen met GaN en SiC. Een van de grootste begunstigden is het elektrische systeem van de auto. Moderne hybride en elektrische voertuigen bevatten apparaten die deze apparaten kunnen gebruiken. Enkele van de populaire toepassingen zijn OBC's, DC-DC-converters, motoraandrijvingen en LiDAR. Figuur 3 toont de belangrijkste subsystemen in elektrische voertuigen waarvoor schakeltransistoren met hoog vermogen nodig zijn.

Figuur 3. WBG-boordlader (OBC) voor hybride en elektrische voertuigen. De AC-ingang wordt gelijkgericht, de arbeidsfactor gecorrigeerd (PFC) en vervolgens DC-DC geconverteerd

DC-DC-omzetter. Dit is een stroomcircuit dat de hoge accuspanning omzet in een lagere spanning om andere elektrische apparaten te laten werken. De huidige accuspanning varieert tot 600V of 900V. De DC-DC-omzetter verlaagt dit naar 48 V of 12 V, of beide, voor de werking van andere elektronische componenten (Figuur 3). Bij hybride elektrische en elektrische voertuigen (HEVEV’s) kan DC-DC ook gebruikt worden voor de hoogspanningsbus tussen het accupakket en de omvormer.

Ingebouwde laders (OBC's). Plug-in HEVEV's en EV's bevatten een interne batterijlader die op een wisselstroomnet kan worden aangesloten. Hierdoor kunt u thuis opladen zonder dat u een externe AC-DC-oplader nodig hebt (Figuur 4).

Hoofdaandrijving motorbestuurder. De hoofdaandrijfmotor is een wisselstroommotor met hoog vermogen die de wielen van het voertuig aandrijft. De driver is een omvormer die de accuspanning omzet in driefasige wisselstroom om de motor te laten draaien.

Figuur 4. Een typische DC-DC-omzetter wordt gebruikt om hoge batterijspanningen om te zetten naar 12 V en/of 48 V. IGBT's die worden gebruikt in hoogspanningsbruggen worden vervangen door SiC MOSFET's.

GaN- en SiC-transistors bieden ontwerpers van elektrische auto's flexibiliteit en eenvoudiger ontwerpen, evenals superieure prestaties dankzij hun hoge spanning, hoge stroomsterkte en snelle schakelkarakteristieken.

VeTek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanTantaalcarbide coating, Siliciumcarbide coating, GaN-producten, Speciaal Grafiet, Siliciumcarbide keramiekEnAndere halfgeleiderkeramiek. VeTek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende coatingproducten voor de halfgeleiderindustrie.

Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com