Mis vahe on ränikarbiidi (SiC) ja galliumnitriidi (GaN) rakenduste vahel? - VeTeki pooljuht

SiCjaMõlemadnimetatakse "laia ribalaiusega pooljuhtideks" (WBG). Kasutatavast tootmisprotsessist tulenevalt on WBG seadmetel järgmised eelised:

1. Laia ribalaiusega pooljuhid

Galliumnitriid (GAN)jaRänikarbiid (sic)on ribalaiuse ja jaotusvälja poolest suhteliselt sarnased. Galliumnitriidi ribalaius on 3,2 eV, ränikarbiidi ribalaius aga 3,4 eV. Kuigi need väärtused tunduvad sarnased, on need oluliselt suuremad kui räni ribalaius. Räni ribalaius on vaid 1,1 eV, mis on kolm korda väiksem kui galliumnitriidil ja ränikarbiidil. Nende ühendite suuremad ribalaiused võimaldavad galliumnitriidil ja ränikarbiidil mugavalt toetada kõrgema pingega ahelaid, kuid need ei saa toetada madalpingeahelaid nagu räni.

2. Jaotusvälja tugevus

Galliumnitriidi ja ränikarbiidi jaotusväljad on suhteliselt sarnased, galliumnitriidil on 3,3 MV/cm ja ränikarbiidil 3,5 MV/cm. Need jaotusväljad võimaldavad ühenditel taluda kõrgemaid pingeid oluliselt paremini kui tavaline räni. Räni läbilöögiväli on 0,3 MV/cm, mis tähendab, et GaN ja SiC on peaaegu kümme korda võimelised taluma kõrgemat pinget. Samuti on nad võimelised toetama madalamat pinget, kasutades oluliselt väiksemaid seadmeid.

3. kõrge elektronide liikuvuse transistor (HEMT)

Kõige olulisem erinevus GaN ja SiC vahel on nende elektronide liikuvus, mis näitab, kui kiiresti elektronid pooljuhtmaterjalist läbi liiguvad. Esiteks on räni elektronide liikuvus 1500 cm^2/Vs. GaN elektronide liikuvus on 2000 cm^2/Vs, mis tähendab, et elektronid liiguvad rohkem kui 30% kiiremini kui räni elektronid. SiC elektronide liikuvus on aga 650 cm^2/Vs, mis tähendab, et SiC elektronid liiguvad aeglasemalt kui GaN ja Si elektronid. Nii suure elektronide liikuvusega on GaN kõrgsageduslike rakenduste jaoks peaaegu kolm korda võimekam. Elektronid võivad liikuda läbi GaN pooljuhtide palju kiiremini kui SiC.

4. Gani ja sic soojusjuhtivus

Materjali soojusjuhtivus on selle võime soojust ise läbi viia. Soojusjuhtivus mõjutab otseselt materjali temperatuuri, arvestades seda keskkonda, milles seda kasutatakse. Suure võimsusega rakendustes tekitab materjali ebaefektiivsus soojust, mis tõstab materjali temperatuuri ja muudab seejärel elektrilisi omadusi. Gani soojusjuhtivus on 1,3 W/cmk, mis on tegelikult halvem kui räni, mille juhtivus on 1,5 W/cmk. SIC -i soojusjuhtivus on aga 5 w/cmk, mis muudab soojuskoormuse ülekandmisel peaaegu kolm korda paremaks. See omadus muudab SIC väga soodsaks suure võimsusega, kõrge temperatuuriga rakendustes.

5. pooljuhtide vahvli tootmisprotsess

Praegused tootmisprotsessid on Gani ja SIC jaoks piirav tegur, kuna need on kallimad, vähem täpsed või energiamahukamad kui laialdaselt vastu võetud räni tootmisprotsessid. Näiteks sisaldab GAN väikesel alal suurel hulgal kristallidefekte. Räni seevastu võib sisaldada ainult 100 defekti ruutsentimeetri kohta. Ilmselt muudab see tohutu defektide määr Gan ebaefektiivseks. Kui tootjad on viimastel aastatel teinud suuri edusamme, on Gan endiselt hädas, et täita rangeid pooljuhtide projekteerimisnõudeid.

6. Võimsuse pooljuhtide turg

Võrreldes räniga piirab praegune tootmistehnoloogia galliumnitriidi ja ränikarbiidi kuluefektiivsust, muutes mõlemad suure võimsusega materjalid lühiajaliselt kallimaks. Siiski on mõlemal materjalil kindlates pooljuhtide rakendustes tugevad eelised.

Ränikarbiid võib olla lühiajaliselt tõhusam toode, kuna sellest on lihtsam toota suuremaid ja ühtlasemaid ränikarbiidplaate kui galliumnitriid. Aja jooksul leiab galliumnitriid oma suurema elektronide liikuvuse tõttu oma koha väikestes kõrgsageduslikes toodetes. Ränikarbiid on soovitavam suuremates võimsustoodetes, kuna selle võimsus on suurem kui galliumnitriidi soojusjuhtivus.

Galliumnitriid and ränikarbiidist seadmed konkureerivad räni pooljuht- (LDMOS) MOSFET-ide ja superliite-MOSFET-idega. GaN ja SiC seadmed on mõnes mõttes sarnased, kuid on ka olulisi erinevusi.

Joonis 1. Kõrgepinge, suure voolutugevuse, lülitussageduse ja peamiste rakendusalade vaheline seos.

Laia ribalaiusega pooljuhid

WBG ühendi pooljuhtidel on suurem elektronide liikuvus ja suurem ribalaua energia, mis tähendab räni paremaid omadusi. WBG ühendi pooljuhtidest valmistatud transistoritel on kõrgemad temperatuuride purunemispinged ja tolerants. Need seadmed pakuvad räni ees eeliseid suurepinge ja suure võimsusega rakendustes.

Joonis 2. Kahe stantsiga kahe-FET-kaskaadlülitus muudab GaN-transistori tavaliselt väljalülitatud seadmeks, võimaldades suure võimsusega lülitusahelates standardset täiustamisrežiimi tööd

WBG transistorid vahetavad ka kiiremini kui räni ja võivad töötada kõrgematel sagedustel. Madalam “sisse” takistus tähendab, et nad hajuvad vähem energiat, parandades energiatõhusust. See ainulaadne omaduste kombinatsioon muudab need seadmed atraktiivseteks autotööstuses kõige nõudlikumate vooluringide jaoks, eriti hübriid- ja elektrisõidukites.

GAN ja SIC transistorid, et täita väljakutseid autotööstuses

GAN ja SIC -seadmete peamised eelised: kõrgepinge võime, 650 V, 900 V ja 1200 V seadmega,

Ränikarbiid:

Kõrgem 1700V.3300V ja 6500V.

Kiirem lülituskiirus,

Kõrgemad töötemperatuurid.

Väiksem takistus, minimaalne võimsuse hajumine ja suurem energiatõhusus.

GAN -seadmed

Rakenduste vahetamisel eelistatakse täiustusrežiimi (või e-režiimi) seadmeid, mis on tavaliselt „välja lülitatud”, mis viis e-režiimi GAN-seadmete väljatöötamiseni. Esmalt tuli kahe FET -seadme kaskaad (joonis 2). Nüüd on saadaval standardsed e-režiimi GAN-seadmed. Nad saavad vahetada sagedustel kuni 10 MHz ja võimsuse taset kuni kümnete kilovatiini.

Mõlemad-seadmeid kasutatakse laialdaselt juhtmevabades seadmetes võimsusvõimenditena sagedustel kuni 100 GHz. Mõned peamised kasutusvõimalused on mobiilside tugijaamade võimsusvõimendid, sõjaväe radarid, satelliitsaatjad ja üldine RF-võimendus. Kuid tänu kõrgele pingele (kuni 1000 V), kõrgele temperatuurile ja kiirele ümberlülitamisele on need kaasatud ka erinevatesse lülitusvõimsuse rakendustesse, nagu DC-DC muundurid, inverterid ja akulaadijad.

Sic -seadmed

SiC transistorid on loomulikud E-režiimi MOSFETid. Need seadmed võivad lülituda sagedustel kuni 1 MHz ning pinge- ja voolutasemetel, mis on palju kõrgemad kui ränist MOSFET-id. Maksimaalne äravooluallika pinge on kuni umbes 1800 V ja voolutugevus on 100 amprit. Lisaks on SiC-seadmetel palju väiksem sisselülitamistakistus kui räni MOSFET-idel, mille tulemuseks on suurem tõhusus kõigis lülitustoiteallikate rakendustes (SMPS-i konstruktsioonid).

SIC-seadmed vajavad madala sisselülitusega seadme sisselülitamiseks väravapinget 18 kuni 20 volti. Standardsed SI MOSFET -id vajavad täielikult sisselülitamiseks väravas vähem kui 10 volti. Lisaks vajavad SIC -seadmed väljalülitatud olekusse lülitumiseks -3 kuni -5 V GATE -draivi. SIC MOSFET -ide kõrge pinge ja kõrge vooluvõimalus muudavad need ideaalseks autotööstusahelateks.

Paljudes rakendustes asendatakse IGBT-d SiC-seadmetega. SiC-seadmed võivad lülituda kõrgematel sagedustel, vähendades induktiivpoolide või trafode suurust ja maksumust, parandades samal ajal tõhusust. Lisaks saab SiC hakkama suuremate vooludega kui GaN.

GAN ja SIC -seadmete, eriti Silicon LDMOS MOSFETS, Superjunction MosFetsi ja IGBTS vahel on konkurents. Paljudes rakendustes asendatakse neid GAN ja SIC -transistoridega.

GAN ja SIC võrdluse kokkuvõtteks on siin tipphetked:

GAN lülitub kiiremini kui Si.

SiC töötab kõrgematel pingetel kui GaN.

SIC nõuab kõrge värava ajami pingeid.

Paljusid toiteahelaid ja seadmeid saab parandada, kujundades koos GAN ja SIC -iga. Üks suurimaid kasusaajaid on autotööstus. Kaasaegsed hübriid- ja elektrisõidukid sisaldavad seadmeid, mis saavad neid seadmeid kasutada. Mõned populaarsed rakendused on OBC-d, DC-DC muundurid, mootorratas ja LiDAR. Joonis 3 osutab elektrisõidukite peamistele alamsüsteemidele, mis vajavad suure energiavahetuse transistoreid.

Joonis 3. WBG pardalaadija (OBC) hübriid- ja elektrisõidukite jaoks. Vahelduvvoolu sisend parandatakse, korrigeeritakse võimsustegurit (PFC) ja seejärel teisendatakse DC-DC

DC-DC muundur. See on toiteahel, mis teisendab aku kõrge pinge madalamaks, et kasutada muid elektriseadmeid. Tänapäeva aku pinge ulatub kuni 600V või 900V. DC-DC muundur alandab selle muude elektroonikakomponentide tööks 48 V või 12 V või mõlemale (joonis 3). Hübriidelektri- ja elektrisõidukites (HEVEV) saab alalisvoolu alalisvoolu kasutada ka akuploki ja inverteri vahelise kõrgepingesiini jaoks.

Sisseehitatud laadijad (OBC-d). Pistikupesaga HEVEV-d ja EV-d sisaldavad sisemist akulaadijat, mille saab ühendada vahelduvvooluvõrku. See võimaldab laadida kodus, ilma et oleks vaja välist AC-DC laadijat (joonis 4).

Peamine ajammootori juht. Peamine ajamimootor on suure väljundiga vahelduvvoolu mootor, mis juhib sõiduki rattaid. Juht on muundur, mis teisendab aku pinge mootori pööramiseks kolmefaasiliseks vahelduvvoorus.

Joonis 4. Tüüpilist DC-DC muundurit kasutatakse kõrge aku pinge teisendamiseks 12 V ja/või 48 V. IGBT-sid, mida kasutatakse suurepinge sildades, asendatakse SIC MOSFET-iga.

Mõlemad- ja SiC-transistorid pakuvad autotööstuse elektridisaineritele paindlikkust ja lihtsamaid konstruktsioone ning suurepärast jõudlust tänu nende kõrgele pingele, suurele voolutugevusele ja kiiretele lülitusomadustele.

VeTek Semiconductor on professionaalne Hiina tootjaTantaalkarbiidikate, Räni karbiidikate, Mõlemad tooted, Spetsiaalne grafiit, Ränikarbiidist keraamikajaMuud pooljuhtide keraamika. VeTek Semiconductor on pühendunud täiustatud lahenduste pakkumisele erinevatele pooljuhtide tööstuse kattetoodetele.

Kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega kindlasti ühendust.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E -post: anny@veteksemi.com