تفاوت بین کاربردهای کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) چیست؟ - نیمه هادی VeTek

باکرهوهر دوبه آنها "نیمه هادی های باند گپ گسترده" (WBG) گفته می شود. با توجه به فرآیند تولید استفاده شده، دستگاه های WBG مزایای زیر را نشان می دهند:

1. نیمه هادی های باند پهن

گالیم نیترید (GAN)وکاربید سیلیکون (SiC)از نظر زمینه Bandgap و Breakdown نسبتاً مشابه هستند. باند نیترید گالیم 3.2 ولت است ، در حالی که باند کاربید سیلیکون 3.4 ولت است. اگرچه این مقادیر مشابه به نظر می رسند ، اما به طور قابل توجهی بالاتر از باند سیلیکون هستند. باند سیلیکون تنها 1.1 ولت است که سه برابر از آن از گالیم نیترید و کاربید سیلیکون کوچکتر است. باند های بالاتر این ترکیبات به نیترید گالیم و کاربید سیلیکون اجازه می دهند تا از مدارهای ولتاژ بالاتر به راحتی پشتیبانی کنند ، اما آنها نمی توانند از مدارهای ولتاژ کم مانند سیلیکون پشتیبانی کنند.

2. قدرت میدان شکست

میدان های تجزیه نیترید گالیوم و کاربید سیلیکون نسبتا مشابه هستند، به طوری که نیترید گالیم دارای میدان تجزیه 3.3 MV/cm و کاربید سیلیکون دارای میدان شکست 3.5 MV/cm است. این میدان های شکست به ترکیبات اجازه می دهد تا ولتاژهای بالاتر را به طور قابل توجهی بهتر از سیلیکون معمولی کنترل کنند. سیلیکون دارای میدان شکست 0.3 MV/cm است که به این معنی است که GaN و SiC تقریباً ده برابر بیشتر قادر به حفظ ولتاژهای بالاتر هستند. آنها همچنین قادر به پشتیبانی از ولتاژهای پایین تر با استفاده از دستگاه های بسیار کوچکتر هستند.

3 ترانزیستور تحرک الکترونی بالا (HEMT)

مهمترین تفاوت بین GAN و SIC در تحرک الکترون آنها است که نشان می دهد سرعت الکترون ها از طریق مواد نیمه هادی حرکت می کنند. اول ، سیلیکون دارای تحرک الکترونی 1500 سانتی متر^2/در مقابل است. گان دارای تحرک الکترونی 2000 سانتی متر^2/VS است ، به این معنی که الکترون ها بیش از 30 ٪ سریعتر از الکترون های سیلیکون حرکت می کنند. با این حال ، SIC دارای تحرک الکترونی 650 سانتی متر^2/VS است ، به این معنی که الکترونهای SIC کندتر از الکترونهای GAN و SI حرکت می کنند. با چنین تحرک الکترونیکی بالا ، GAN تقریباً سه برابر برای کاربردهای با فرکانس بالا توانایی دارد. الکترون ها می توانند خیلی سریعتر از SIC از طریق نیمه هادی های GAN حرکت کنند.

4. هدایت حرارتی GaN و باکره

هدایت حرارتی یک ماده توانایی انتقال گرما از طریق خود است. هدایت حرارتی با توجه به محیطی که در آن استفاده می شود ، مستقیماً بر دمای یک ماده تأثیر می گذارد. در کاربردهای پر قدرت ، ناکارآمدی مواد باعث ایجاد گرما می شود که دمای آن را افزایش می دهد و متعاقباً خواص الکتریکی آن را تغییر می دهد. GAN دارای هدایت حرارتی 1.3 W/cmk است که در واقع بدتر از سیلیکون است که دارای رسانایی 1.5 W/cmk است. با این حال ، SIC دارای هدایت حرارتی 5 W/cmk است که تقریباً سه برابر در انتقال بارهای گرما بهتر می شود. این ویژگی باعث می شود SIC در برنامه های با درجه حرارت بالا و با درجه حرارت بالا بسیار سودمند باشد.

5. فرآیند تولید ویفر نیمه هادی

فرآیندهای تولید کنونی یک عامل محدودکننده برای GaN و SiC هستند زیرا گران‌تر، دقیق‌تر یا انرژی‌برتر از فرآیندهای تولید سیلیکون هستند. به عنوان مثال، GaN شامل تعداد زیادی نقص کریستالی در یک منطقه کوچک است. از سوی دیگر، سیلیکون تنها می تواند 100 عیب در هر سانتی متر مربع داشته باشد. بدیهی است که این نرخ عیب بزرگ باعث ناکارآمدی GaN می شود. در حالی که تولیدکنندگان در سال‌های اخیر پیشرفت‌های زیادی کرده‌اند، GaN هنوز در تلاش است تا الزامات طراحی نیمه‌رسانا را برآورده کند.

6. بازار نیمه هادی برق

در مقایسه با سیلیکون، فناوری ساخت فعلی مقرون به صرفه بودن نیترید گالیوم و کاربید سیلیکون را محدود می‌کند و هر دو ماده پرقدرت را در کوتاه مدت گران‌تر می‌کند. با این حال، هر دو ماده دارای مزایای قوی در کاربردهای نیمه هادی خاص هستند.

کاربید سیلیکون ممکن است در کوتاه مدت محصولی مؤثرتر باشد زیرا تولید ویفرهای SIC بزرگتر و یکنواخت تر از نیترید گالیم آسان تر است. با گذشت زمان ، گالیم نیترید با توجه به تحرک الکترونی بالاتر ، جایگاه خود را در محصولات کوچک و فرکانس بالا پیدا می کند. کاربید سیلیکون در محصولات با انرژی بزرگتر مطلوب تر خواهد بود زیرا قابلیت برق آن بالاتر از هدایت حرارتی گالیم نیترید است.

نیترید گالیمدستگاه‌های کاربید سیلیکون d با ماسفت‌های نیمه‌رسانای سیلیکونی (LDMOS) و ماسفت‌های ابرپیوندی رقابت می‌کنند. دستگاه های GaN و SiC از برخی جهات مشابه هستند، اما تفاوت های قابل توجهی نیز وجود دارد.

شکل 1. رابطه بین ولتاژ بالا، جریان بالا، فرکانس سوئیچینگ و مناطق کاربردی اصلی.

نیمه هادی های باند پهن

نیمه هادی های ترکیبی WBG دارای تحرک الکترون بالاتر و انرژی باند باند بالاتری هستند که به خواص برتر نسبت به سیلیکون تبدیل می شود. ترانزیستورهای ساخته شده از نیمه هادی های ترکیبی WBG دارای ولتاژ شکست بالاتر و تحمل دماهای بالا هستند. این دستگاه ها نسبت به سیلیکون در کاربردهای با ولتاژ و توان بالا مزایایی دارند.

شکل 2. یک مدار آبشار دوتایی دوتایی یک ترانزیستور GAN را به یک دستگاه عادی تبدیل می کند و باعث می شود عملکرد استاندارد پیشرفت در مدارهای سوئیچینگ با قدرت بالا امکان پذیر باشد

ترانزیستورهای WBG نیز سریعتر از سیلیکون سوئیچ می شوند و می توانند در فرکانس های بالاتر کار کنند. مقاومت «روشن» کمتر به این معنی است که توان کمتری را از بین می‌برند و بازده انرژی را بهبود می‌بخشند. این ترکیب منحصربه‌فرد از ویژگی‌ها، این دستگاه‌ها را برای برخی از سخت‌ترین مدارها در کاربردهای خودرو، به‌ویژه خودروهای هیبریدی و الکتریکی جذاب می‌کند.

ترانزیستورهای GaN و SiC برای مقابله با چالش‌ها در تجهیزات الکتریکی خودرو

مزایای کلیدی دستگاه های GaN و SiC: قابلیت ولتاژ بالا، با دستگاه های 650 ولت، 900 ولت و 1200 ولت،

کاربید سیلیکون:

بالاتر از 1700V.3300V و 6500V.

سرعت سوئیچینگ سریعتر،

دمای عملیاتی بالاتر

مقاومت در برابر مقاومت ، حداقل اتلاف توان و راندمان انرژی بالاتر.

دستگاه های هر دو

در برنامه‌های سوئیچینگ، دستگاه‌های حالت بهبود (یا حالت E)، که معمولاً خاموش هستند، ترجیح داده می‌شوند، که منجر به توسعه دستگاه‌های GaN حالت E شد. ابتدا آبشار دو دستگاه FET آمد (شکل 2). اکنون، دستگاه‌های GaN حالت الکترونیکی استاندارد در دسترس هستند. آنها می توانند در فرکانس های تا 10 مگاهرتز و سطوح قدرت تا ده ها کیلووات سوئیچ کنند.

دستگاه های GAN به طور گسترده ای در تجهیزات بی سیم به عنوان تقویت کننده برق در فرکانس های حداکثر 100 گیگاهرتز مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از موارد اصلی استفاده تقویت کننده قدرت ایستگاه پایه سلولی ، رادارهای نظامی ، فرستنده های ماهواره ای و تقویت عمومی RF است. با این حال ، به دلیل ولتاژ بالا (حداکثر 1000 ولت) ، درجه حرارت بالا و سوئیچینگ سریع ، آنها همچنین در برنامه های مختلف قدرت سوئیچینگ مانند مبدل های DC-DC ، اینورترها و شارژرهای باتری گنجانیده می شوند.

دستگاه های SIC

ترانزیستورهای SIC MOSFET های حالت طبیعی هستند. این دستگاه ها می توانند در فرکانس های حداکثر 1 مگاهرتز و در ولتاژ و سطح جریان بسیار بالاتر از موتست های سیلیکون تغییر کنند. حداکثر ولتاژ منبع تخلیه تا حدود 1800 ولت و قابلیت فعلی 100 آمپر است. علاوه بر این ، دستگاه های SIC نسبت به MOSFET های سیلیکون بسیار مقاومت کمتری دارند و در نتیجه راندمان بالاتری در کلیه برنامه های منبع تغذیه سوئیچینگ (طرح های SMPS) به دست می آیند.

دستگاه‌های SiC به یک درایو ولتاژ دروازه 18 تا 20 ولت نیاز دارند تا دستگاه را با مقاومت روشن کم روشن کنند. ماسفت های استاندارد Si برای روشن شدن کامل به کمتر از 10 ولت در دروازه نیاز دارند. علاوه بر این، دستگاه‌های SiC برای تغییر حالت خاموش به یک درایو گیت -3 تا -5 ولت نیاز دارند. ولتاژ بالا و قابلیت های جریان بالا ماسفت های SiC آنها را برای مدارهای برق خودرو ایده آل می کند.

در بسیاری از کاربردها، IGBT ها با دستگاه های SiC جایگزین می شوند. دستگاه‌های SiC می‌توانند در فرکانس‌های بالاتر سوئیچ شوند و در عین حال کارایی را بهبود بخشند و اندازه و هزینه سلف‌ها یا ترانسفورماتورها را کاهش دهند. علاوه بر این، SiC می تواند جریان های بالاتری را نسبت به GaN تحمل کند.

بین دستگاه‌های GaN و SiC رقابت وجود دارد، به‌ویژه ماسفت‌های LDMOS سیلیکونی، ماسفت‌های superjunction و IGBT. در بسیاری از کاربردها، ترانزیستورهای GaN و SiC جایگزین آنها می شوند.

برای خلاصه کردن مقایسه GaN و SiC، نکات برجسته در اینجا آمده است:

گان سریعتر از SI سوئیچ می کند.

باکره در ولتاژهای بالاتر از GaN عمل می کند.

باکره به ولتاژهای درایو گیت بالا نیاز دارد.

با طراحی با GAN و SIC ، بسیاری از مدارها و دستگاه های برق قابل بهبود هستند. یکی از بزرگترین ذینفعان سیستم الکتریکی خودرو است. وسایل نقلیه مدرن هیبریدی و برقی حاوی دستگاه هایی هستند که می توانند از این دستگاه ها استفاده کنند. برخی از کاربردهای محبوب OBCS ، مبدل های DC-DC ، درایوهای حرکتی و لیدر است. شکل 3 به زیر سیستم های اصلی در وسایل نقلیه برقی که نیاز به ترانزیستورهای سوئیچینگ بالا دارند ، اشاره می کند.

شکل 3.  شارژر داخلی WBG (OBC) برای خودروهای هیبریدی و الکتریکی. ورودی AC اصلاح می شود، ضریب توان تصحیح می شود (PFC)، و سپس DC-DC تبدیل می شود

مبدل DC-DCبشر این یک مدار برق است که ولتاژ باتری بالا را به ولتاژ پایین تر تبدیل می کند تا سایر دستگاه های برقی را اجرا کند. ولتاژ باتری امروز تا 600 ولت یا 900 ولت است. مبدل DC-DC آن را برای عملکرد سایر اجزای الکترونیکی به 48 ولت یا 12 ولت یا هر دو منتقل می کند (شکل 3). در وسایل نقلیه برقی و برقی هیبریدی (HEVEV) ، DC-DC همچنین می تواند برای اتوبوس ولتاژ بالا بین باتری و اینورتر استفاده شود.

شارژرهای روی صفحه (OBC). HEVEVها و EVهای پلاگین حاوی یک شارژر باتری داخلی هستند که می تواند به منبع برق AC متصل شود. این امکان شارژ در خانه را بدون نیاز به شارژر AC-DC خارجی فراهم می کند (شکل 4).

درایور موتور درایو اصلیبشر موتور اصلی درایو یک موتور AC با خروجی بالا است که چرخ های وسیله نقلیه را هدایت می کند. درایور اینورتر است که ولتاژ باتری را به AC سه فاز تبدیل می کند تا موتور را تبدیل کند.

شکل 4 از مبدل معمولی DC-DC برای تبدیل ولتاژهای باتری بالا به 12 ولت استفاده می شود و/یا 48 V. IGBT های مورد استفاده در پل های ولتاژ بالا توسط MOSFET های SIC جایگزین می شوند.

ترانزیستورهای GAN و SIC به دلیل ولتاژ بالا ، جریان بالا و سوئیچینگ سریع ، انعطاف پذیری و طراحی ساده تر و همچنین عملکرد برتر را ارائه می دهند.

نیمه هادی Vetek یک تولید کننده حرفه ای چینی استپوشش کاربید Tantalum, پوشش کاربید سیلیکون, محصولات هر دو, گرافیت ویژه, سرامیک سیلیکون کاربیدوسرامیک های نیمه هادی دیگر. VeTek Semiconductor متعهد به ارائه راه حل های پیشرفته برای محصولات مختلف پوشش برای صنعت نیمه هادی است.

اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری احتیاج دارید ، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

Mob/WhatsAPP: 0752 6922 180-86+

ایمیل: anny@veteksemi.com