Apa bedane aplikasi silikon karbida (SiC) lan gallium nitride (GaN)? - VeTek Semikonduktor

SiClanGandisebut "wide bandgap semikonduktor" (WBG). Amarga proses produksi sing digunakake, piranti WBG nuduhake kaluwihan ing ngisor iki:

1. Wide Bandgap Semikonduktor

Gallium nitride (GaN)lansilikon karbida (SiC)relatif padha karo bandgap lan lapangan breakdown. Celah pita gallium nitride yaiku 3,2 eV, dene celah pita silikon karbida yaiku 3,4 eV. Sanajan nilai kasebut katon padha, nanging luwih dhuwur tinimbang celah pita silikon. Celah pita silikon mung 1,1 eV, sing kaping telu luwih cilik tinimbang galium nitrida lan silikon karbida. Celah pita sing luwih dhuwur saka senyawa kasebut ngidini gallium nitride lan silikon karbida kanthi nyaman ndhukung sirkuit tegangan sing luwih dhuwur, nanging ora bisa ndhukung sirkuit tegangan rendah kaya silikon.

2. Kekuwatan Field Risak

Bidang pemecahan galium nitrida lan silikon karbida relatif padha, kanthi medan pemecahan gallium nitrida 3,3 MV/cm lan silikon karbida nduweni medan pemecahan 3,5 MV/cm. Kothak risak iki ngidini senyawa bisa nangani voltase sing luwih dhuwur tinimbang silikon biasa. Silicon duwe lapangan breakdown 0,3 MV / cm, tegese GaN lan SiC meh sepuluh kaping luwih bisa nahan voltase sing luwih dhuwur. Dheweke uga bisa ndhukung voltase murah kanthi nggunakake piranti sing luwih cilik.

3. Transistor Mobilitas Elektron Tinggi (HEMT)

Bentenane sing paling signifikan antarane GaN lan SiC yaiku mobilitas elektron, sing nuduhake sepira cepet elektron pindhah liwat materi semikonduktor. Kaping pisanan, silikon nduweni mobilitas elektron 1500 cm^2/Vs. GaN nduweni mobilitas elektron 2000 cm^2/Vs, tegese elektron obah luwih saka 30% luwih cepet tinimbang elektron silikon. Nanging, SiC nduweni mobilitas elektron 650 cm^2/Vs, tegese elektron SiC luwih alon tinimbang elektron GaN lan Si. Kanthi mobilitas elektron sing dhuwur, GaN meh kaping telu luwih bisa digunakake kanggo aplikasi frekuensi dhuwur. Elektron bisa pindhah liwat semikonduktor GaN luwih cepet tinimbang SiC.

4. Konduktivitas Thermal saka GaN lan SiC

Konduktivitas termal saka materi yaiku kemampuan kanggo mindhah panas liwat dhewe. Konduktivitas termal langsung mengaruhi suhu materi, amarga lingkungan sing digunakake. Ing aplikasi daya dhuwur, inefficiency saka materi ngasilake panas, kang mundhakaken suhu materi lan salajengipun ngganti sawijining electrical. GaN nduweni konduktivitas termal 1,3 W/cmK, sing sejatine luwih elek tinimbang silikon, sing nduweni konduktivitas 1,5 W/cmK. Nanging, SiC nduweni konduktivitas termal 5 W / cmK, saengga meh kaping telu luwih apik kanggo nransfer beban panas. Properti iki ndadekake SiC mupangati banget kanggo aplikasi suhu dhuwur lan dhuwur.

5. Proses Pembuatan Wafer Semikonduktor

Proses manufaktur saiki minangka faktor watesan kanggo GaN lan SiC amarga luwih larang, kurang tepat, utawa luwih intensif energi tinimbang proses manufaktur silikon sing diadopsi sacara umum. Contone, GaN ngemot akeh cacat kristal ing wilayah cilik. Silicon, ing tangan liyane, mung bisa ngemot 100 cacat saben kothak centimeter. Temenan, tingkat cacat gedhe iki ndadekake GaN ora efisien. Nalika manufaktur wis nggawe langkah gedhe ing taun-taun pungkasan, GaN isih berjuang kanggo nyukupi syarat desain semikonduktor sing ketat.

6. Pasar Semikonduktor Daya

Dibandhingake karo silikon, teknologi manufaktur saiki mbatesi efektifitas biaya gallium nitride lan silikon karbida, nggawe loro bahan daya dhuwur luwih larang ing wektu sing cendhak. Nanging, loro bahan kasebut duwe kaluwihan sing kuat ing aplikasi semikonduktor tartamtu.

Silicon karbida bisa dadi produk sing luwih efektif ing wektu sing cendhak amarga luwih gampang kanggo nggawe wafer SiC sing luwih gedhe lan seragam tinimbang gallium nitride. Sajrone wektu, gallium nitride bakal nemokake panggonane ing produk cilik frekuensi dhuwur amarga mobilitas elektron sing luwih dhuwur. Silicon carbide bakal luwih dikarepake ing produk daya sing luwih gedhe amarga kemampuan daya luwih dhuwur tinimbang konduktivitas termal gallium nitride.

Gallium nitride land piranti silikon karbida saingan karo MOSFET semikonduktor silikon (LDMOS) lan MOSFET superjunction. Piranti GaN lan SiC padha ing sawetara cara, nanging ana uga beda sing signifikan.

Gambar 1. Hubungan antarane tegangan dhuwur, arus dhuwur, frekuensi switching, lan area aplikasi utama.

Wide Bandgap Semikonduktor

Semikonduktor senyawa WBG nduweni mobilitas elektron sing luwih dhuwur lan energi celah pita sing luwih dhuwur, sing nerjemahake sifat sing luwih unggul tinimbang silikon. Transistor digawe saka semikonduktor senyawa WBG duwe voltase risak luwih dhuwur lan toleransi kanggo suhu dhuwur. Piranti kasebut menehi kaluwihan tinimbang silikon ing aplikasi voltase dhuwur lan daya dhuwur.

Gambar 2. Sirkuit kaskade dual-die dual-FET ngowahi transistor GaN dadi piranti sing biasane mati, mbisakake operasi mode peningkatan standar ing sirkuit switching daya dhuwur

Transistor WBG uga ngalih luwih cepet tinimbang silikon lan bisa digunakake ing frekuensi sing luwih dhuwur. Lower resistance "on" tegese padha dissipate kurang daya, nambah efisiensi energi. Kombinasi karakteristik unik iki ndadekake piranti kasebut atraktif kanggo sawetara sirkuit sing paling nuntut ing aplikasi otomotif, utamane kendaraan hibrida lan listrik.

Transistor GaN lan SiC kanggo ngrampungake tantangan ing peralatan listrik otomotif

Keuntungan utama piranti GaN lan SiC: Kapabilitas voltase dhuwur, kanthi piranti 650 V, 900 V lan 1200 V,

Silicon karbida:

1700V sing luwih dhuwur.3300V lan 6500V.

Kacepetan ngalih luwih cepet,

Suhu operasi sing luwih dhuwur.

Kurang resistance, boros daya minimal, lan efisiensi energi sing luwih dhuwur.

Piranti Gan

Ing ngalih aplikasi, piranti tambahan (utawa E-mode), sing biasane "mati", luwih disenengi, sing nyebabake pangembangan piranti GaN E-mode. Pisanan teka cascade saka rong piranti FET (Gambar 2). Saiki, piranti GaN standar e-mode kasedhiya. Padha bisa ngalih ing frekuensi nganti 10 MHz lan tingkat daya nganti puluhan kilowatt.

Piranti GaN akeh digunakake ing peralatan nirkabel minangka amplifier daya ing frekuensi nganti 100 GHz. Sawetara kasus panggunaan utama yaiku amplifier daya stasiun pangkalan seluler, radar militer, pemancar satelit, lan amplifikasi RF umum. Nanging, amarga voltase dhuwur (nganti 1,000 V), suhu dhuwur, lan ngoper cepet, padha uga digabung menyang macem-macem aplikasi daya ngoper kayata konverter DC-DC, inverter, lan pangisi daya baterei.

Piranti SiC

Transistor SiC minangka MOSFET E-mode alami. Piranti kasebut bisa ngalih kanthi frekuensi nganti 1 MHz lan ing tingkat voltase lan arus sing luwih dhuwur tinimbang MOSFET silikon. Tegangan sumber saluran maksimal nganti udakara 1,800 V, lan kemampuan saiki 100 amps. Kajaba iku, piranti SiC duwe resistansi sing luwih murah tinimbang MOSFET silikon, nyebabake efisiensi sing luwih dhuwur ing kabeh aplikasi sumber daya switching (desain SMPS).

Piranti SiC mbutuhake drive voltase gerbang 18 nganti 20 volt kanggo nguripake piranti kanthi resistensi kurang. Standar Si MOSFET mbutuhake kurang saka 10 volt ing gapura kanggo nguripake kanthi lengkap. Kajaba iku, piranti SiC mbutuhake drive gerbang -3 nganti -5 V kanggo ngalih menyang negara mati. Tegangan dhuwur, kemampuan saiki dhuwur saka SiC MOSFET ndadekake dheweke cocog kanggo sirkuit listrik otomotif.

Ing pirang-pirang aplikasi, IGBT diganti karo piranti SiC. Piranti SiC bisa ngalih kanthi frekuensi sing luwih dhuwur, nyuda ukuran lan biaya induktor utawa trafo nalika nambah efisiensi. Kajaba iku, SiC bisa nangani arus sing luwih dhuwur tinimbang GaN.

Ana kompetisi antarane piranti GaN lan SiC, utamane MOSFET LDMOS silikon, MOSFET superjunction, lan IGBT. Ing pirang-pirang aplikasi, dheweke diganti karo transistor GaN lan SiC.

Kanggo ngringkes perbandingan GaN vs. SiC, ing ngisor iki sorotan:

Gan ngalih luwih cepet tinimbang Si.

SiC beroperasi ing voltase sing luwih dhuwur tinimbang GaN.

SiC mbutuhake voltase drive gerbang dhuwur.

Akeh sirkuit daya lan piranti bisa ditingkatake kanthi ngrancang nganggo GaN lan SiC. Salah sijine sing entuk manfaat paling gedhe yaiku sistem listrik otomotif. Kendaraan hibrida lan listrik modern ngemot piranti sing bisa nggunakake piranti kasebut. Sawetara aplikasi sing populer yaiku OBC, konverter DC-DC, drive motor, lan LiDAR. Gambar 3 nuduhake subsistem utama ing kendaraan listrik sing mbutuhake transistor switching daya dhuwur.

Gambar 3.  WBG on-board charger (OBC) kanggo kendaraan hibrida lan listrik. Input AC dibenerake, faktor daya dikoreksi (PFC), banjur DC-DC diowahi

Konverter DC-DC. Iki minangka sirkuit daya sing ngowahi voltase baterei dhuwur dadi voltase sing luwih murah kanggo mbukak piranti listrik liyane. Tegangan baterei saiki nganti 600V utawa 900V. Konverter DC-DC mudhun menyang 48V utawa 12V, utawa loro-lorone, kanggo operasi komponen elektronik liyane (Gambar 3). Ing kendaraan listrik lan listrik hibrida (HEVEV), DC-DC uga bisa digunakake kanggo bus voltase dhuwur ing antarane baterei lan inverter.

Pangisi daya on-board (OBCs). HEVEV lan EV plug-in ngemot pangisi daya baterei internal sing bisa disambungake menyang sumber listrik AC. Iki ngidini ngisi daya ing omah tanpa mbutuhake pangisi daya AC−DC eksternal (Gambar 4).

Driver motor penggerak utama. Motor penggerak utama yaiku motor AC output dhuwur sing nyopir roda kendaraan. Pembalap minangka inverter sing ngowahi voltase baterei dadi AC telung fase kanggo nguripake motor.

Figure 4. Konverter DC-DC khas digunakake kanggo ngowahi voltase baterei dhuwur kanggo 12 V lan / utawa 48 V. IGBT digunakake ing kreteg voltase dhuwur diganti dening MOSFET SiC.

Transistor GaN lan SiC nawakake fleksibilitas desainer listrik otomotif lan desain sing luwih gampang uga kinerja sing unggul amarga karakteristik voltase dhuwur, arus dhuwur, lan ganti cepet.

VeTek Semiconductor minangka produsen profesional CinaTantalum Carbide Coating, Lapisan Silicon Carbide, Produk Gan, Grafit khusus, Keramik Silicon Carbide KablanKeramik Semikonduktor liyane. VeTek Semiconductor setya nyedhiyakake solusi canggih kanggo macem-macem produk Coating kanggo industri semikonduktor.

Yen sampeyan duwe pitakon utawa butuh rincian tambahan, aja ragu-ragu hubungi kita.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com