Was ist der Unterschied zwischen Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN)-Anwendungen? - VeTek Semiconductor

SicUndBeidewerden als "Wide Bandgap Semiconductors" (WBG) bezeichnet. Aufgrund des verwendeten Produktionsprozesses zeigen WBG -Geräte die folgenden Vorteile:

1. Breite Bandgap -Halbleiter

Galliumnitrid (GaN)UndSiliziumkarbid (SiC)sind in Bezug auf Bandgap und Breakdown -Feld relativ ähnlich. Der Bandgap von Galliumnitrid beträgt 3,2 eV, während die Bandlücke von Siliziumkarbid 3,4 eV beträgt. Obwohl diese Werte ähnlich erscheinen, sind sie signifikant höher als die Bandgap von Silizium. Der Bandgap von Silizium beträgt nur 1,1 eV, was dreimal kleiner ist als der von Galliumnitrid und Siliziumcarbid. Die höheren Bandgaps dieser Verbindungen ermöglichen es Galliumnitrid und Siliziumkarbid, um bequem höhere Spannungsschaltungen zu unterstützen, aber sie können keine niedrigen Spannungsschaltungen wie Silizium unterstützen.

2. Stärke der Breakdown -Feld

Die Durchschlagsfelder von Galliumnitrid und Siliziumkarbid sind relativ ähnlich, wobei Galliumnitrid ein Durchschlagsfeld von 3,3 MV/cm und Siliziumkarbid ein Durchschlagsfeld von 3,5 MV/cm aufweist. Aufgrund dieser Durchschlagsfelder können die Verbindungen höhere Spannungen deutlich besser bewältigen als normales Silizium. Silizium hat ein Durchbruchfeld von 0,3 MV/cm, was bedeutet, dass GaN und SiC fast zehnmal besser in der Lage sind, höhere Spannungen auszuhalten. Sie sind auch in der Lage, niedrigere Spannungen mit deutlich kleineren Geräten zu unterstützen.

3. HEMT hoher Elektronenmobilitätstransistor (HEMT)

Der bedeutendste Unterschied zwischen GaN und SiC ist ihre Elektronenmobilität, die angibt, wie schnell sich Elektronen durch das Halbleitermaterial bewegen. Erstens hat Silizium eine Elektronenmobilität von 1500 cm^2/Vs. GaN hat eine Elektronenmobilität von 2000 cm^2/Vs, was bedeutet, dass sich Elektronen mehr als 30 % schneller bewegen als die Elektronen von Silizium. Allerdings hat SiC eine Elektronenmobilität von 650 cm^2/Vs, was bedeutet, dass sich die Elektronen von SiC langsamer bewegen als die Elektronen von GaN und Si. Mit einer so hohen Elektronenmobilität ist GaN für Hochfrequenzanwendungen fast dreimal besser geeignet. Elektronen können sich viel schneller durch GaN-Halbleiter bewegen als durch SiC.

4. Wärmeleitfähigkeit von GaN und Sic

Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist seine Fähigkeit, Wärme durch sich selbst zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit wirkt sich direkt auf die Temperatur eines Materials aus, abhängig von der Umgebung, in der es verwendet wird. Bei Hochleistungsanwendungen erzeugt die Ineffizienz des Materials Wärme, die die Temperatur des Materials erhöht und anschließend seine elektrischen Eigenschaften verändert. GaN hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3 W/cmK, was tatsächlich schlechter ist als die von Silizium, das eine Leitfähigkeit von 1,5 W/cmK hat. Allerdings hat SiC eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/cmK und ist damit fast dreimal besser in der Lage, Wärmelasten zu übertragen. Diese Eigenschaft macht SiC für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen äußerst vorteilhaft.

5. Herstellungsprozess von Halbleiterwafern

Aktuelle Herstellungsprozesse sind ein begrenzter Faktor für GaN und SIC, da sie teurer, weniger präzise oder energieintensiver sind als die weit verbreiteten Siliziumherstellungsprozesse. Zum Beispiel enthält Gan eine große Anzahl von Kristallfehlern über einem kleinen Bereich. Silizium hingegen kann nur 100 Mängel pro Quadratzentimeter enthalten. Offensichtlich macht diese riesige Defektrate Gan ineffizient. Während die Hersteller in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht haben, kämpft Gan immer noch darum, die strengen Semiconductor -Designanforderungen zu erfüllen.

6. Power Semiconductor Market

Im Vergleich zu Silizium begrenzt die derzeitige Herstellungstechnologie die Kosteneffizienz von Galliumnitrid und Siliziumkarbid und macht beide kurzfristige Hochleistungsmaterialien teurer. Beide Materialien haben jedoch starke Vorteile in spezifischen Halbleiteranwendungen.

Siliziumcarbid kann kurzfristig ein effektiveres Produkt sein, da es einfacher ist, größere und gleichmäßigere SIC -Wafer herzustellen als Galliumnitrid. Im Laufe der Zeit wird Galliumnitrid angesichts seiner höheren Elektronenmobilität seinen Platz in kleinen, hochfrequenten Produkten finden. Siliziumkarbid wird in größeren Stromversorgungsprodukten wünschenswerter sein, da seine Stromversorgungsfähigkeiten höher sind als die thermische Leitfähigkeit von Galliumnitrid.

Gallium nitrid and Siliziumkarbid-Geräte konkurrieren mit Silizium-Halbleiter-MOSFETs (LDMOS) und Superjunction-MOSFETs. GaN- und SiC-Geräte ähneln sich in mancher Hinsicht, es gibt jedoch auch erhebliche Unterschiede.

Abbildung 1. Die Beziehung zwischen Hochspannung, hohem Strom, Schaltfrequenz und wichtigen Anwendungsbereichen.

Halbleiter mit großer Bandlücke

WBG -Verbindungsempfindlichkeiten haben eine höhere Elektronenmobilität und eine höhere Bandgap -Energie, was zu überlegenen Eigenschaften über Silizium führt. Transistoren aus WBG -Verbindungsempfindlichkeiten haben höhere Breakdown -Spannungen und Toleranz gegenüber hohen Temperaturen. Diese Geräte bieten Vorteile gegenüber Silizium in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen.

Abbildung 2. Ein Dual-St---Dual-FET-Kaskadenkreis wandelt einen GaN-Transistor in ein normales Gerät um

WBG -Transistoren wechseln auch schneller als Silizium und können bei höheren Frequenzen arbeiten. Niedrigere „Ein“ -Widerstand bedeutet, dass sie weniger Leistung auflösen und die Energieeffizienz verbessern. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften macht diese Geräte für einige der anspruchsvollsten Schaltkreise in Automobilanwendungen, insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeugen, attraktiv.

Beide- und SiC-Transistoren zur Bewältigung der Herausforderungen in der elektrischen Automobilausrüstung

Wichtige Vorteile von GAN- und SIC -Geräten: Hochspannungsfähigkeit mit 650 V, 900 V und 1200 V -Geräten,

Siliziumkarbid:

Höher 1700 V.3300V und 6500 V.

Schnellere Schaltgeschwindigkeiten,

Höhere Betriebstemperaturen.

Geringerer Widerstand, minimale Verlustleistung und höhere Energieeffizienz.

Beide-Geräte

Bei Schaltanwendungen werden Enhancement-Mode- (oder E-Mode-)Geräte bevorzugt, die normalerweise „aus“ sind, was zur Entwicklung von E-Mode-GaN-Geräten führte. Zuerst kam die Kaskade aus zwei FET-Geräten (Abbildung 2). Jetzt sind Standard-E-Mode-GaN-Geräte verfügbar. Sie können bei Frequenzen bis zu 10 MHz und Leistungsstufen bis zu mehreren zehn Kilowatt schalten.

Beide -Geräte werden in drahtlosen Geräten als Stromverstärker bei Frequenzen von bis zu 100 GHz häufig eingesetzt. Einige der Hauptanwendungsfälle sind melluläre Basisstation Stromverstärker, Militärradare, Satellitensender und allgemeine HF -Amplifikation. Aufgrund der hohen Spannung (bis zu 1.000 V), der hohen Temperatur und der schnellen Umschaltung werden sie jedoch auch in verschiedene Schaltanwendungen wie DC-DC-Wandler, Wechselrichter und Batterieladegeräte integriert.

Sic-Geräte

Sic-Transistoren sind natürliche E-Mode-MOSFETs. Diese Geräte können bei Frequenzen von bis zu 1 MHz und bei weit höheren Spannungs- und Strompegeln als Silizium-MOSFETs schalten. Die maximale Drain-Source-Spannung beträgt bis zu etwa 1.800 V und die Strombelastbarkeit beträgt 100 Ampere. Darüber hinaus haben SiC-Geräte einen viel geringeren Einschaltwiderstand als Silizium-MOSFETs, was zu einer höheren Effizienz in allen Schaltnetzteilanwendungen (SMPS-Designs) führt.

Sic-Geräte benötigen eine Gate-Spannungsansteuerung von 18 bis 20 Volt, um das Gerät mit niedrigem Einschaltwiderstand einzuschalten. Standard-Si-MOSFETs benötigen zum vollständigen Einschalten weniger als 10 Volt am Gate. Darüber hinaus benötigen SiC-Geräte eine Gate-Ansteuerung von -3 bis -5 V, um in den Aus-Zustand zu schalten. Die Hochspannungs- und Hochstromfähigkeiten von SiC-MOSFETs machen sie ideal für Kfz-Stromkreise.

In vielen Anwendungen werden IGBTs durch SIC -Geräte ersetzt. SIC -Geräte können bei höheren Frequenzen wechseln und die Größe und die Kosten von Induktoren oder Transformatoren reduzieren und gleichzeitig die Effizienz verbessern. Zusätzlich kann SIC höhere Ströme als Gan bewältigen.

Es gibt eine Konkurrenz zwischen GaN- und SIC -Geräten, insbesondere zwischen Silizium -LDMOS -MOSFETs, Superjunction -MOSFETs und IGBTs. In vielen Anwendungen werden sie durch Gan- und SIC -Transistoren ersetzt.

Um den Vergleich von Gan mit SIC zusammenzufassen, finden Sie hier die Highlights:

Gan schaltet schneller als Si.

SIC arbeitet bei höheren Spannungen als Gan.

Sic erfordert hohe Gate-Treiberspannungen.

Viele Stromkreise und Geräte können durch die Gestaltung mit GaN und SiC verbessert werden. Einer der größten Nutznießer ist das Kfz-Bordnetz. Moderne Hybrid- und Elektrofahrzeuge enthalten Geräte, die diese Geräte nutzen können. Zu den beliebtesten Anwendungen gehören OBCs, DC-DC-Wandler, Motorantriebe und LiDAR. Abbildung 3 zeigt die wichtigsten Subsysteme in Elektrofahrzeugen, die Hochleistungsschalttransistoren erfordern.

Abbildung 3. WBG-On-Board-Ladegerät (OBC) für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Der AC-Eingang wird gleichgerichtet, leistungsfaktorkorrigiert (PFC) und dann DC-DC-gewandelt

DC-DC-Wandler. Dies ist ein Stromkreis, der die hohe Batteriespannung in eine niedrigere Spannung umwandelt, um andere elektrische Geräte auszuführen. Die heutige Batteriespannung reicht bis zu 600 V oder 900 V. Der DC-DC-Wandler steigt auf 48 V oder 12 V oder beides für den Betrieb anderer elektronischer Komponenten (Abbildung 3). In Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeugen (Hevevs) kann DC-DC auch für den Hochspannungsbus zwischen dem Akku und dem Wechselrichter verwendet werden.

On-Board-Ladegeräte (OBCs). Plug-in-Hevevs und EVs enthalten ein internes Batterieladegerät, das an eine Wechselstromversorgung angeschlossen werden kann. Dies ermöglicht das Laden zu Hause, ohne dass ein externes AC -DC -Ladegerät erforderlich ist (Abbildung 4).

Hauptantriebsmotorfahrer. Der Hauptantriebsmotor ist ein leistungsstarker Wechselstrommotor, der die Räder des Fahrzeugs antreibt. Der Treiber ist ein Wechselrichter, der die Batteriespannung in dreiphasigen Wechselstrom umwandelt, um den Motor anzutreiben.

Abbildung 4. Ein typischer DC-DC-Wandler wird verwendet, um hohe Batteriespannungen in 12 V und/oder 48 V umzuwandeln. IGBTs, die in Hochspannungsbrücken verwendet werden, werden durch SIC-MOSFETs ersetzt.

Die GAN- und SIC -Transistoren bieten Flexibilität für Elektrodesigner für Automobile und einfachere Designs sowie eine überlegene Leistung aufgrund ihrer Eigenschaften mit hoher Spannung, hohem Strom und schnellem Schaltanschluss.

Vetek Semiconductor ist ein professioneller chinesischer Hersteller vonTantal -Carbidbeschichtung, Siliziumkarbidbeschichtung, Beide-Produkte, Spezialgraphit, SiliziumkarbidkeramikUndAndere Halbleiterkeramiken. Vetek Semiconductor ist bestrebt, fortschrittliche Lösungen für verschiedene Beschichtungsprodukte für die Halbleiterindustrie bereitzustellen.

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