Apa bedane aplikasi silikon karbida (SiC) lan galium nitrida (GaN)? - VeTek Semikonduktor

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

1. Semutujor bandondonduktor amba

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 Bidang Gallium Nitride lan Silikon Carbide padha karo, kanthi Gallium Nitride sing duwe lapangan breakdown 3,3 MV / cm lan silikon karbida ngalami lapangan breakdown 3,5 mV / cm. Lapangan breakdown iki ngidini senyawa kanggo ngatasi voltase sing luwih dhuwur luwih apik tinimbang silikon biasa. Silicon duwe lapangan breakdown 0.3 MV / cm, tegese Gan lan SIC meh sepuluh kaping luwih saged saget voltase sing luwih dhuwur. Dheweke uga bisa ndhukung voltase ngisor kanthi nggunakake piranti sing luwih cilik.

3. Transistor Mobilitas Elektron Tinggi (HEMT)

Bentenane sing paling penting ing antarane Gan lan SIC minangka mobilitas elektron, sing nuduhake kepiye elektron cepet pindhah liwat materi semikonduktor. Pisanan, silikon duwe mobilitas elektron 1500 cm ^ 2 / vs. Gan nduweni mobilitas elektron 2000 cm ^ 2 / vs, tegese elektron mindhah luwih saka 30% luwih cepet tinimbang elektron silicon. Nanging, SIC duwe mobilitas elektron 650 cm ^ 2 / vs, tegese elektron SIC luwih alon tinimbang Gan lan elektron SI. Kanthi mobilitas elektron sing kaya ngono, Gan meh kaping telu luwih mampu aplikasi frekuensi dhuwur. Elektron bisa pindhah liwat Gan Semiconductor luwih cepet tinimbang SIC.

4. Konduktivitas Thermal saka GaN lan Sic

Konduktivitas termal saka bahan yaiku kemampuan kanggo mindhah panas liwat awake dhewe. Konduktivitas termal langsung mengaruhi suhu materi, diwenehi lingkungan sing digunakake. Ing aplikasi dhuwur, ora bisa entuk bathi saka bahan ngasilake panas, sing nambah suhu material lan banjur ngganti sifat listrik. Gan duwe konduktivitas termal 1.3 w / cmk, sing sejatine luwih ala tinimbang silikon, sing nduweni konduktivitas 1,5 w / cmk. Nanging, SIC duwe konduktivitas termal saka 5 w / cmk, nggawe meh kaping telu luwih apik kanggo mindhah beban panas. Properti iki ndadekake SIC banget mupangate kanthi dhuwur, aplikasi suhu 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 tenaga

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 panggonan 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. Hubungane antara voltase dhuwur, saiki, frekuensi ngoper, lan area aplikasi utama.

Semuturuktur Semikonduktor Wide Bandgap

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.

Gan lan Sik Transistor kanggo ketemu 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 Kalorone

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 digunakake digunakake ing peralatan nirkabel minangka amplifier daya ing frekuensi nganti 100 GHz. Sawetara kasus panggunaan utama minangka amplifier daya listrik berita, radar militer, pemancar satelit, lan amplifikasi RF Umum. Nanging, amarga voltase dhuwur (nganti 1.000 v), suhu sing dhuwur, lan cepet-cepet, dheweke uga dilebokake ing macem-macem aplikasi daya ngonversi kayata konverter DC-DC, lan bathi baterei.

Piranti Sic

Transistor SIC minangka moso E-Mode alami. Piranti kasebut bisa ngalih kanthi frekuensi nganti 1 MHz lan ing voltase lan tingkat saiki luwih dhuwur tinimbang silikon mosok. Voltase Source maksimal kira-kira 1,800 v, lan kemampuan saiki minangka 100 amps. Kajaba iku, piranti SIC duwe resistensi sing luwih murah tinimbang mosok silikon, nyebabake efisiensi luwih dhuwur ing kabeh aplikasi sumber daya ngoper (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 persaingan antarane piranti Gan lan SIC, utamane mosok Silicon Ldmos, mosok superjeksi, lan Igbts. Ing pirang-pirang aplikasi, dheweke diganti karo transistor Gan lan SIC.

Kanggo ngringkes perbandingan Gan vs. SIC, iki sorotan:

Gan ngalih luwih cepet tinimbang si.

SIC ngoperasikake kanthi 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-papan pangisi daya (ABC) kanggo kendaraan hibrida lan listrik. Input AC AC, faktor daya sing didandani (PFC), banjur DC-DC diowahi

Konverter DC-DCWaca rangkeng-. 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 utamaWaca rangkeng-. Motor drive utama yaiku motor AC output dhuwur sing nggawa rodha kendharaan. Supir minangka inverter sing ngowahi voltase baterei nganti telung fase kanggo ngowahi 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 CinaLapisan karbida tantalum, Lapisan Silicon Carbide, Produk Gan, Grafit khusus, Keramik Karbida SilikonlanKeramik Semikonduktor LiyaneWaca rangkeng-. Vetek semiconduktor setya menehi solusi sing luwih maju kanggo macem-macem produk lapisan kanggo industri semikonduktor.

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

Mob / samsung: + 86-180 6922 0752

Email: Anny@veteksemi.com