В чем разница между применением карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN)? - ВеТек Полупроводник

Карбид кремнияиГаНназываются «широкозонными полупроводниками» (WBG). Благодаря используемому производственному процессу устройства WBG обладают следующими преимуществами:

1. Широкозонные полупроводники.

Нитрид галлия (GaN)икарбид кремния (SiC)относительно схожи по запрещенной зоне и полю пробоя. Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3,2 эВ, а карбида кремния — 3,4 эВ. Хотя эти значения кажутся схожими, они значительно превышают ширину запрещенной зоны кремния. Ширина запрещенной зоны кремния составляет всего 1,1 эВ, что в три раза меньше, чем у нитрида галлия и карбида кремния. Более высокая ширина запрещенной зоны этих соединений позволяет нитриду галлия и карбиду кремния комфортно поддерживать цепи с более высоким напряжением, но они не могут поддерживать цепи с низким напряжением, такие как кремний.

2. Напряженность поля пробоя

Поля пробоя нитрида галлия и карбида кремния относительно схожи: нитрид галлия имеет поле пробоя 3,3 МВ/см, а карбид кремния имеет поле пробоя 3,5 МВ/см. Эти поля пробоя позволяют соединениям выдерживать более высокие напряжения значительно лучше, чем обычный кремний. Поле пробоя кремния составляет 0,3 МВ/см, а это означает, что GaN и SiC почти в десять раз более способны выдерживать более высокие напряжения. Они также способны поддерживать более низкие напряжения, используя устройства значительно меньшего размера.

3. Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT).

Наиболее существенное различие между GaN и SiC заключается в их подвижности электронов, которая показывает, насколько быстро электроны движутся через полупроводниковый материал. Во-первых, кремний имеет подвижность электронов 1500 см^2/Вс. GaN имеет подвижность электронов 2000 см^2/Вс, что означает, что электроны движутся более чем на 30% быстрее, чем электроны кремния. Однако подвижность электронов SiC составляет 650 см^2/Вс, что означает, что электроны SiC движутся медленнее, чем электроны GaN и Si. Благодаря такой высокой подвижности электронов GaN почти в три раза более пригоден для высокочастотных применений. Электроны могут перемещаться через полупроводники GaN гораздо быстрее, чем SiC.

4. Теплопроводность GaN и SiC.

Теплопроводность материала – это его способность передавать тепло через себя. Теплопроводность напрямую влияет на температуру материала, учитывая среду, в которой он используется. В приложениях с высокой мощностью из-за неэффективности материала выделяется тепло, которое повышает температуру материала и впоследствии изменяет его электрические свойства. GaN имеет теплопроводность 1,3 Вт/смК, что на самом деле хуже, чем у кремния, у которого проводимость 1,5 Вт/смК. Однако SiC имеет теплопроводность 5 Вт/смК, что позволяет ему почти в три раза лучше переносить тепловые нагрузки. Это свойство делает SiC очень выгодным для мощных и высокотемпературных применений.

5. Процесс производства полупроводниковых пластин.

Современные производственные процессы являются ограничивающим фактором для GaN и SiC, поскольку они более дороги, менее точны или более энергозатратны, чем широко распространенные процессы производства кремния. Например, GaN содержит большое количество кристаллических дефектов на небольшой площади. С другой стороны, кремний может содержать только 100 дефектов на квадратный сантиметр. Очевидно, что такой огромный процент дефектов делает GaN неэффективным. Несмотря на то, что за последние годы производители добились больших успехов, GaN все еще пытается соответствовать строгим требованиям к конструкции полупроводников.

6. Рынок силовых полупроводников

По сравнению с кремнием, современные технологии производства ограничивают экономическую эффективность нитрида галлия и карбида кремния, что делает оба высокомощных материала более дорогими в краткосрочной перспективе. Однако оба материала имеют большие преимущества в конкретных полупроводниковых приложениях.

Карбид кремния может оказаться более эффективным продуктом в краткосрочной перспективе, поскольку из него легче производить более крупные и однородные пластины SiC, чем из нитрида галлия. Со временем нитрид галлия найдет свое место в небольших высокочастотных продуктах, учитывая его более высокую подвижность электронов. Карбид кремния будет более желательным в продуктах большей мощности, поскольку его энергетические возможности выше, чем теплопроводность нитрида галлия.

Нитрид галлияУстройства из карбида кремния конкурируют с кремниевыми полупроводниковыми (LDMOS) МОП-транзисторами и МОП-транзисторами со сверхпереходом. Устройства GaN и SiC в чем-то схожи, но есть и существенные различия.

Рисунок 1. Взаимосвязь между высоким напряжением, большим током, частотой переключения и основными областями применения.

Полупроводники с широкой запрещенной зоной

Полупроводники из соединений WBG имеют более высокую подвижность электронов и более высокую энергию запрещенной зоны, что приводит к превосходным свойствам по сравнению с кремнием. Транзисторы, изготовленные из полупроводниковых соединений WBG, имеют более высокое напряжение пробоя и устойчивость к высоким температурам. Эти устройства имеют преимущества перед кремниевыми в приложениях с высоким напряжением и большой мощностью.

Рисунок 2. Каскадная схема на двух кристаллах и двух полевых транзисторах преобразует GaN-транзистор в нормально выключенное устройство, обеспечивая стандартную работу в режиме улучшения в мощных переключающих схемах.

Транзисторы WBG также переключаются быстрее, чем кремниевые, и могут работать на более высоких частотах. Более низкое сопротивление «включено» означает, что они рассеивают меньше энергии, что повышает энергоэффективность. Это уникальное сочетание характеристик делает эти устройства привлекательными для некоторых наиболее требовательных цепей в автомобильной промышленности, особенно в гибридных и электромобилях.

Транзисторы GaN и SiC помогут решить проблемы автомобильного электрооборудования

Основные преимущества устройств на основе GaN и SiC: Возможность работы при высоком напряжении с устройствами на 650 В, 900 В и 1200 В.

Карбид кремния:

Выше 1700 В, 3300 В и 6500 В.

Более высокая скорость переключения,

Более высокие рабочие температуры.

Меньшее сопротивление, минимальная рассеиваемая мощность и более высокая энергоэффективность.

ГаН-устройства

В коммутационных приложениях предпочтение отдается устройствам с расширенным режимом (или E-режимом), которые обычно «выключены», что привело к разработке устройств GaN с E-режимом. Сначала появился каскад из двух полевых транзисторов (рис. 2). Теперь доступны стандартные устройства GaN с электронным режимом. Они могут переключаться на частотах до 10 МГц и мощности до десятков киловатт.

Устройства GaN широко используются в беспроводном оборудовании в качестве усилителей мощности на частотах до 100 ГГц. Некоторые из основных случаев использования — усилители мощности базовых станций сотовой связи, военные радары, спутниковые передатчики и общее усиление радиочастот. Однако из-за высокого напряжения (до 1000 В), высокой температуры и быстрого переключения они также используются в различных устройствах с импульсным питанием, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный, инверторы и зарядные устройства для аккумуляторов.

Карбид кремния-устройства

Карбид кремния-транзисторы представляют собой естественные МОП-транзисторы E-режима. Эти устройства могут переключаться на частотах до 1 МГц и при уровнях напряжения и тока, намного более высоких, чем кремниевые МОП-транзисторы. Максимальное напряжение сток-исток составляет примерно до 1800 В, а допустимый ток — 100 ампер. Кроме того, устройства на основе SiC имеют гораздо более низкое сопротивление в открытом состоянии, чем кремниевые МОП-транзисторы, что приводит к более высокой эффективности во всех приложениях импульсных источников питания (проекты SMPS).

Устройствам SiC требуется напряжение на затворе от 18 до 20 В для включения устройства с низким сопротивлением во включенном состоянии. Стандартным Si MOSFET для полного открытия требуется менее 10 Вольт на затворе. Кроме того, устройствам SiC требуется привод затвора от -3 до -5 В для переключения в выключенное состояние. Высоковольтные и сильноточные возможности SiC MOSFET делают их идеальными для автомобильных силовых цепей.

Во многих приложениях IGBT заменяются устройствами SiC. Устройства SiC могут переключаться на более высоких частотах, уменьшая размер и стоимость катушек индуктивности или трансформаторов, одновременно повышая эффективность. Кроме того, SiC может выдерживать более высокие токи, чем GaN.

Существует конкуренция между устройствами GaN и SiC, особенно кремниевыми LDMOS MOSFET, сверхпереходными MOSFET и IGBT. Во многих приложениях их заменяют транзисторы GaN и SiC.

Подводя итог сравнению GaN и SiC, отметим основные моменты:

ГаН переключается быстрее, чем Si.

Карбид кремния работает при более высоких напряжениях, чем GaN.

Карбид кремния требует высокого напряжения управления затвором.

Многие силовые схемы и устройства можно улучшить, используя GaN и SiC. Одним из крупнейших бенефициаров является автомобильная электрическая система. Современные гибридные и электромобили содержат устройства, которые могут использовать эти устройства. Некоторые из популярных приложений — OBC, преобразователи постоянного тока, электроприводы и LiDAR. На рисунке 3 показаны основные подсистемы электромобилей, которым требуются переключающие транзисторы высокой мощности.

Рисунок 3. Бортовое зарядное устройство WBG (OBC) для гибридных и электромобилей. Вход переменного тока выпрямляется, корректируется коэффициент мощности (PFC), а затем преобразуется в постоянный ток.

Преобразователь постоянного тока в постоянный. Это силовая цепь, которая преобразует высокое напряжение аккумулятора в более низкое для питания других электрических устройств. Сегодняшнее напряжение батареи колеблется до 600 В или 900 В. Преобразователь постоянного тока понижает его до 48 В или 12 В или того и другого для работы других электронных компонентов (рис. 3). В гибридных электромобилях и электромобилях (HEVEV) DC-DC также может использоваться в качестве высоковольтной шины между аккумуляторной батареей и инвертором.

Бортовые зарядные устройства (OBC). Подключаемые HEVEV и электромобили содержат внутреннее зарядное устройство, которое можно подключить к сети переменного тока. Это позволяет заряжать аккумулятор дома без необходимости использования внешнего зарядного устройства переменного и постоянного тока (рис. 4).

Драйвер главного привода двигателя. Главный приводной двигатель представляет собой двигатель переменного тока высокой мощности, который приводит в движение колеса автомобиля. Драйвер представляет собой инвертор, который преобразует напряжение аккумулятора в трехфазный переменный ток для вращения двигателя.

Рисунок 4. Типичный преобразователь постоянного тока используется для преобразования высокого напряжения батареи в 12 В и/или 48 В. IGBT, используемые в высоковольтных мостах, заменяются SiC MOSFET.

Транзисторы GaN и SiC предлагают проектировщикам автомобильной электротехники гибкость и более простую конструкцию, а также превосходные характеристики благодаря своим характеристикам высокого напряжения, большого тока и быстрого переключения.

VeTek Semiconductor — профессиональный китайский производительПокрытие из карбида тантала, Покрытие из карбида кремния, ГаН-продукты, Специальный графит, Керамика из карбида кремнияиДругая полупроводниковая керамика. VeTek Semiconductor стремится предоставлять передовые решения для различных покрытий для полупроводниковой промышленности.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электронная почта: anny@veteksemi.com