Kuo skiriasi silicio karbido (SIC) ir galio nitrido (GAN) taikymo? - „Vetek“ puslaidininkis

SicirAbuyra vadinami „plataus juostos puslaidininkiais“ (WBG). Dėl naudojamo gamybos proceso WBG įrenginiai rodo šiuos pranašumus:

1. Platūs juostų puslaidininkiai

Galio nitridas (GaN)irsilicio karbidas (SiC)yra santykinai panašūs pagal pralaidumą ir suskirstymo lauką. Galio nitrido juostos tarpas yra 3,2 eV, o silicio karbido - 3,4 eV. Nors šios vertės atrodo panašios, jos yra žymiai didesnės nei silicio juostos tarpas. Silicio juostos tarpas yra tik 1,1 eV, o tai yra tris kartus mažesnis nei galio nitrido ir silicio karbido. Didesni šių junginių juostos tarpai leidžia galio nitridui ir silicio karbidui patogiai palaikyti aukštesnės įtampos grandines, tačiau jie negali palaikyti žemos įtampos grandinių, tokių kaip silicis.

2. Suskirstymo lauko stiprumas

Gallio nitrido ir silicio karbido skilimo laukai yra palyginti panašūs, o Gallio nitrido skilimo laukas yra 3,3 mV/cm, o silicio karbido gedimo laukas yra 3,5 mV/cm. Šie skilimo laukai leidžia junginiams sutvarkyti didesnę įtampą žymiai geriau nei įprastas silicis. Silicio skilimo laukas yra 0,3 mV/cm, o tai reiškia, kad Gan ir SIC yra beveik dešimt kartų didesni, gali išlaikyti aukštesnę įtampą. Jie taip pat gali palaikyti mažesnę įtampą, naudodami žymiai mažesnius įrenginius.

3. Didelio elektronų mobilumo tranzistorius (HEMT)

Svarbiausias skirtumas tarp GaN ir SiC yra jų elektronų mobilumas, kuris rodo, kaip greitai elektronai juda per puslaidininkinę medžiagą. Pirma, silicio elektronų judrumas yra 1500 cm^2/Vs. GaN elektronų judrumas yra 2000 cm^2/Vs, o tai reiškia, kad elektronai juda daugiau nei 30% greičiau nei silicio elektronai. Tačiau SiC elektronų mobilumas yra 650 cm ^ 2 / Vs, o tai reiškia, kad SiC elektronai juda lėčiau nei GaN ir Si elektronai. Turėdamas tokį didelį elektronų mobilumą, GaN yra beveik tris kartus pajėgesnis aukšto dažnio programoms. Elektronai gali judėti per GaN puslaidininkius daug greičiau nei SiC.

4. GAN ir SIC šiluminis laidumas

Medžiagos šilumos laidumas yra jos gebėjimas pernešti šilumą per save. Šilumos laidumas tiesiogiai veikia medžiagos temperatūrą, atsižvelgiant į aplinką, kurioje ji naudojama. Esant didelės galios, medžiagos neveiksmingumas sukelia šilumą, o tai pakelia medžiagos temperatūrą ir vėliau keičia jos elektrines savybes. GAN šilumos laidumas yra 1,3 W/cmk, kuris iš tikrųjų yra blogesnis nei silicio, kurio laidumas yra 1,5 Wmk. Tačiau SIC šilumos laidumas yra 5 W/cmk, todėl beveik tris kartus geriau perkeliant šilumos apkrovas. Ši savybė daro SIC labai naudingą didelės galios, aukštos temperatūros programose.

5. Puslaidininkių vaflių gamybos procesas

Dabartiniai gamybos procesai yra ribojantis GaN ir SiC veiksnys, nes jie yra brangesni, ne tokie tikslūs arba sunaudoja daugiau energijos nei plačiai naudojami silicio gamybos procesai. Pavyzdžiui, GaN nedideliame plote yra daug kristalų defektų. Kita vertus, silicyje gali būti tik 100 defektų viename kvadratiniame centimetre. Akivaizdu, kad šis didžiulis defektų lygis daro GaN neefektyvų. Nors gamintojai pastaraisiais metais padarė didelę pažangą, GaN vis dar stengiasi įvykdyti griežtus puslaidininkių projektavimo reikalavimus.

6. Galios puslaidininkių rinka

Palyginti su siliciu, dabartinė gamybos technologija riboja galio nitrido ir silicio karbido ekonominį efektyvumą, todėl abi didelės galios medžiagos yra brangesnės per trumpą laiką. Tačiau abi medžiagos turi didelių pranašumų konkrečiose puslaidininkių programose.

Silicio karbidas gali būti veiksmingesnis produktas per trumpą laiką, nes lengviau gaminti didesnius ir vienodesnius sic vaflius nei gallio nitridas. Laikui bėgant „Gallium“ nitridas ras savo vietą mažuose, aukšto dažnio produktuose, atsižvelgiant į didesnį elektronų mobilumą. Silicio karbidas bus labiau pageidautinas didesniuose galios produktuose, nes jo galios galimybės yra didesnės nei „Gallium Nitride“ šilumos laidumas.

Galio nitridas ird silicio karbido įtaisai konkuruoja su silicio puslaidininkiniais (LDMOS) MOSFET ir superjungtiniais MOSFET. GaN ir SiC įrenginiai tam tikrais atžvilgiais yra panašūs, tačiau yra ir reikšmingų skirtumų.

1 paveikslas. Ryšys tarp aukštos įtampos, aukštos srovės, perjungimo dažnio ir pagrindinių taikymo sričių.

Plataus diapazono puslaidininkiai

WBG junginiai puslaidininkiai turi didesnį elektronų mobilumą ir didesnę juostos juostos energiją, o tai virsta aukštesnėmis savybėmis virš silicio. Tranzistoriai, pagaminti iš WBG junginių puslaidininkių, turi didesnę skilimo įtampą ir toleranciją aukštai temperatūrai. Šie prietaisai suteikia pranašumų, palyginti su siliciu, naudojant aukštos įtampos ir didelės galios programas.

2 pav. Dviejų štampų dviejų FET pakopinė grandinė paverčia GaN tranzistorių į įprastai išjungtą įrenginį, leidžiantį naudoti standartinį patobulinimo režimą didelės galios perjungimo grandinėse

WBG tranzistoriai taip pat persijungia greičiau nei silicio ir gali veikti aukštesniais dažniais. Mažesnis „įjungimo“ pasipriešinimas reiškia, kad jie išsklaido mažiau energijos ir pagerina energijos vartojimo efektyvumą. Dėl šio unikalaus charakteristikų derinio šie įrenginiai patrauklūs kai kurioms reikliausioms automobilių grandinėms, ypač hibridinėms ir elektrinėms transporto priemonėms.

Abu ir SiC tranzistoriai, siekiant įveikti automobilių elektros įrangos iššūkius

Pagrindiniai GAN ir SIC prietaisų pranašumai: aukštos įtampos galimybės, turinčios 650 V, 900 V ir 1200 V įrenginius,

Silicio karbidas:

Didesnis 1700V.3300V ir 6500V.

Didesnis perjungimo greitis,

Aukštesnė darbinė temperatūra.

Mažesnis atsparumas, minimalus galios išsisklaidymas ir didesnis energijos vartojimo efektyvumas.

Abu įrenginiai

Perjungiant programas pirmenybė teikiama patobulinimo režimo (arba E režimo) įrenginiams, kurie paprastai yra „išjungti“, todėl buvo sukurti E-mode GaN įrenginiai. Pirmiausia atsirado dviejų FET įrenginių kaskados (2 pav.). Dabar yra standartiniai e-mode GaN įrenginiai. Jie gali persijungti dažniais iki 10 MHz ir galios lygiais iki dešimčių kilovatų.

„Gan“ įtaisai yra plačiai naudojami belaidėje įrangoje kaip galios stiprintuvai, kurių dažnis yra iki 100 GHz. Kai kurie pagrindiniai naudojimo atvejai yra ląstelių bazinės stoties galios stiprintuvai, kariniai radarai, palydoviniai siųstuvai ir bendroji RF amplifikacija. Tačiau dėl aukštos įtampos (iki 1 000 V), aukštos temperatūros ir greito perjungimo jie taip pat yra įtraukiami į įvairias perjungimo galios programas, tokias kaip DC-DC keitikliai, keitikliai ir akumuliatorių įkrovikliai.

Sic prietaisai

Sic tranzistoriai yra natūralūs E režimo MOSFET. Šie įrenginiai gali persijungti iki 1 MHz dažniais, o įtampa ir srovės lygis yra daug didesnis nei silicio MOSFET. Didžiausia išleidimo šaltinio įtampa yra iki maždaug 1800 V, o srovės galia yra 100 amperų. Be to, SiC įrenginių atsparumas įjungimui yra daug mažesnis nei silicio MOSFET, todėl yra didesnis efektyvumas visose perjungiamojo maitinimo šaltinio programose (SMPS konstrukcijos).

Sic įrenginiams reikalinga nuo 18 iki 20 voltų vartų pavara, kad įjungtų įjungimą su mažu atsparumu. Standartiniams „Si Mosfets“ prie vartų reikia mažiau nei 10 voltų, kad būtų galima visiškai įjungti. Be to, norint perjungti į OFF būseną, SIC įrenginiams reikalingas nuo -3 iki -5 V vartų pavara. Aukštos įtampos, aukštos srovės „SiC Mosfets“ galimybės daro jas idealias automobilių energijos grandinėms.

Daugelyje programų IGBT keičia SIC įrenginiai. SIC įrenginiai gali perjungti aukštesniais dažniais, sumažindami induktorių ar transformatorių dydį ir sąnaudas, tuo pačiu padidindami efektyvumą. Be to, SIC gali valdyti didesnes sroves nei GAN.

Tarp „Gan“ ir „SiC“ prietaisų, ypač silicio LDMOS MOSFET, „SuperJunction Mosfets“ ir IGBTS, yra konkurencija. Daugelyje programų juos keičia Gan ir SiC tranzistoriai.

Apibendrinant „Gan“ ir „SIC“ palyginimą, čia yra svarbiausi:

Gan perjungia greičiau nei SI.

SIC veikia aukštesnėje įtampoje nei GAN.

Sic reikia didelės vartų pavaros įtampos.

Daugelį maitinimo grandinių ir įrenginių galima patobulinti projektuojant naudojant GaN ir SiC. Vienas didžiausių naudos gavėjų yra automobilių elektros sistema. Šiuolaikinėse hibridinėse ir elektrinėse transporto priemonėse yra įrenginių, galinčių naudoti šiuos įrenginius. Kai kurios populiarios programos yra OBC, DC-DC keitikliai, variklio pavaros ir LiDAR. 3 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai elektromobilių posistemiai, kuriems reikia didelės galios perjungiamųjų tranzistorių.

3 pav. WBG integruotas įkroviklis (OBC), skirtas hibridinėms ir elektrinėms transporto priemonėms. Kintamosios srovės įvestis ištaisoma, pataisoma galios koeficientas (PFC), o tada konvertuojama DC-DC

DC-DC keitiklis. Tai maitinimo grandinė, kuri paverčia aukštą akumuliatoriaus įtampą į žemesnę, kad galėtų veikti kiti elektros prietaisai. Šiandienos akumuliatoriaus įtampa svyruoja iki 600 V arba 900 V. DC-DC keitiklis sumažina jį iki 48 V arba 12 V arba abiejų, kad veiktų kiti elektroniniai komponentai (3 pav.). Hibridinėse elektrinėse ir elektrinėse transporto priemonėse (HEVEV) DC-DC taip pat gali būti naudojama aukštos įtampos magistralei tarp akumuliatoriaus bloko ir keitiklio.

Borto įkrovikliai (OBC). Kištukiniuose HEVEV ir EV yra vidinis akumuliatoriaus įkroviklis, kurį galima prijungti prie kintamosios srovės maitinimo šaltinio. Tai leidžia įkrauti namuose be išorinio AC–DC įkroviklio (4 pav.).

Pagrindinis variklio vairuotojas. Pagrindinis pavaros variklis yra didelio išėjimo kintamosios srovės variklis, kuris varo transporto priemonės ratus. Vairuotojas yra keitiklis, kuris konvertuoja akumuliatoriaus įtampą į trijų fazių kintamąją kintamąjį, kad variklis pasuktų.

4 pav. Tipiškas DC-DC keitiklis naudojamas aukštai akumuliatoriaus įtampai paversti į 12 V ir (arba) 48 V. Aukštos įtampos tiltuose naudojami IGBT pakeičiami SiC MOSFET.

Abu ir SiC tranzistoriai automobilių elektros dizaineriams siūlo lankstumą ir paprastesnį dizainą, taip pat puikų našumą dėl aukštos įtampos, didelės srovės ir greito perjungimo charakteristikų.

„Vetek Semiconductor“ yra profesionalus kinų gamintojasTantalo karbido danga, Silicio karbido danga, Abu produktai, Specialus grafitas, Silicio karbido keramikairKita puslaidininkinė keramika. „Vetek Semiconductor“ yra įsipareigojęs tiekti patobulintus sprendimus įvairiems dengimo gaminiams puslaidininkių pramonei.

Jei turite klausimų ar jums reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

„Mob/WhatsApp“: +86-180 6922 0752

El. Paštas: anny@veteksemi.com