Silikon karbid (SiC) və qallium nitridi (GaN) tətbiqləri arasındakı fərq nədir? - VeTek yarımkeçirici

SiCvəGaN"geniş zolaqlı yarımkeçiricilər" (WBG) kimi istinad edilir. İstifadə olunan istehsal prosesinə görə WBG cihazları aşağıdakı üstünlükləri göstərir:

1. Geniş Zolaqlı Yarımkeçiricilər

Qallium nitridi (GaN)vəsilisium karbid (SiC)bant boşluğu və parçalanma sahəsi baxımından nisbətən oxşardır. Qallium nitridin bant boşluğu 3,2 eV, silisium karbidinin bant boşluğu isə 3,4 eV-dir. Bu dəyərlər oxşar görünsə də, silisiumun diapazonundan əhəmiyyətli dərəcədə yüksəkdir. Silisiumun bant boşluğu cəmi 1,1 eV-dir ki, bu da qalium nitridi və silisium karbidindən üç dəfə kiçikdir. Bu birləşmələrin daha yüksək bant boşluqları qalium nitridi və silisium karbidinə daha yüksək gərginlikli dövrələri rahat şəkildə dəstəkləməyə imkan verir, lakin silikon kimi aşağı gərginlikli dövrələri dəstəkləyə bilməz.

2. Dağılma sahəsinin gücü

Qallium nitridin və silisium karbidinin parçalanma sahələri nisbətən oxşardır, qallium nitridin parçalanma sahəsi 3,3 MV/sm, silisium karbidin isə 3,5 MV/sm parçalanma sahəsi var. Bu parçalanma sahələri birləşmələrə daha yüksək gərginlikləri adi silisiumdan əhəmiyyətli dərəcədə yaxşı idarə etməyə imkan verir. Silikon 0,3 MV/sm parçalanma sahəsinə malikdir, bu o deməkdir ki, GaN və SiC daha yüksək gərginlikləri saxlamaq üçün demək olar ki, on qat daha çox qadirdir. Onlar həmçinin əhəmiyyətli dərəcədə daha kiçik cihazlardan istifadə edərək daha aşağı gərginlikləri dəstəkləyə bilirlər.

3. Yüksək Elektron Hərəkətli Transistor (HEMT)

GaN və SiC arasındakı ən əhəmiyyətli fərq, elektronların yarımkeçirici materialdan nə qədər sürətli hərəkət etdiyini göstərən elektron hərəkətliliyidir. Birincisi, silikonun elektron hərəkətliliyi 1500 sm^2/Vs təşkil edir. GaN 2000 sm^2/Vs elektron hərəkətliliyinə malikdir, yəni elektronlar silisium elektronlarından 30% daha sürətli hərəkət edir. Bununla belə, SiC 650 sm^2/Vs elektron hərəkətliliyinə malikdir, yəni SiC elektronları GaN və Si elektronlarından daha yavaş hərəkət edir. Belə yüksək elektron hərəkətliliyi ilə GaN yüksək tezlikli tətbiqlər üçün demək olar ki, üç dəfə daha qabiliyyətlidir. Elektronlar GaN yarımkeçiricilərində SiC-dən daha sürətli hərəkət edə bilirlər.

4. GaN və SiC-nin istilik keçiriciliyi

Materialın istilik keçiriciliyi onun öz vasitəsilə istilik ötürmə qabiliyyətidir. İstilik keçiriciliyi, istifadə olunduğu mühiti nəzərə alaraq, materialın istiliyinə birbaşa təsir göstərir. Yüksək güc tətbiqlərində materialın qeyri-səmərəliliyi istilik yaradır, bu da materialın temperaturunu artırır və sonradan onun elektrik xüsusiyyətlərini dəyişir. GaN 1,3 W/smK istilik keçiriciliyinə malikdir, bu, əslində 1,5 W/smK keçiriciliyə malik olan silikondan daha pisdir. Bununla belə, SiC 5 Vt/smK istilik keçiriciliyinə malikdir, bu da onu istilik yüklərinin ötürülməsində təxminən üç dəfə daha yaxşı edir. Bu xüsusiyyət SiC-ni yüksək güclü, yüksək temperaturlu tətbiqlərdə çox üstünlük təşkil edir.

5. Yarımkeçirici Gofret İstehsal Prosesi

Mövcud istehsal prosesləri GaN və SiC üçün məhdudlaşdırıcı amildir, çünki onlar geniş yayılmış silikon istehsal proseslərindən daha bahalı, daha az dəqiq və ya daha çox enerji tələb edir. Məsələn, GaN kiçik bir sahədə çoxlu sayda kristal qüsurları ehtiva edir. Silikon isə hər kvadrat santimetrdə yalnız 100 qüsur ehtiva edə bilər. Aydındır ki, bu böyük qüsur dərəcəsi GaN-ni səmərəsiz edir. İstehsalçılar son illərdə böyük addımlar atsalar da, GaN hələ də ciddi yarımkeçirici dizayn tələblərinə cavab vermək üçün mübarizə aparır.

6. Enerji yarımkeçirici bazarı

Silisiumla müqayisədə, mövcud istehsal texnologiyası qallium nitridi və silisium karbidinin iqtisadi səmərəliliyini məhdudlaşdırır, hər iki yüksək güclü materialı qısa müddətdə daha bahalı edir. Bununla belə, hər iki material xüsusi yarımkeçirici tətbiqlərdə güclü üstünlüklərə malikdir.

Silikon karbid qısa müddətdə daha təsirli bir məhsul ola bilər, çünki qalium nitriddən daha böyük və daha vahid SiC vafliləri istehsal etmək daha asandır. Zamanla qallium nitridi daha yüksək elektron hərəkətliliyini nəzərə alaraq kiçik, yüksək tezlikli məhsullarda öz yerini tapacaqdır. Silisium karbid daha böyük güc məhsullarında daha arzuolunan olacaq, çünki onun güc imkanları qalium nitridin istilik keçiriciliyindən daha yüksəkdir.

Qallium nitridi vəd silisium karbid cihazları silisium yarımkeçirici (LDMOS) MOSFET-ləri və super birləşmə MOSFET-ləri ilə rəqabət aparır. GaN və SiC cihazları müəyyən mənada oxşardır, lakin əhəmiyyətli fərqlər də var.

Şəkil 1. Yüksək gərginlik, yüksək cərəyan, keçid tezliyi və əsas tətbiq sahələri arasında əlaqə.

Geniş zolaqlı yarımkeçiricilər

WBG mürəkkəb yarımkeçiriciləri daha yüksək elektron hərəkətliliyinə və daha yüksək zolaq enerjisinə malikdir, bu da silikondan üstün xüsusiyyətlərə çevrilir. WBG mürəkkəb yarımkeçiricilərdən hazırlanmış tranzistorlar daha yüksək qırılma gərginliyinə və yüksək temperaturlara dözümlülüyünə malikdir. Bu cihazlar yüksək gərginlikli və yüksək güclü tətbiqlərdə silikondan üstünlüklər təklif edir.

Şəkil 2. İkiölçülü ikili FET kaskadlı dövrə GaN tranzistorunu normal söndürülmüş cihaza çevirir və yüksək güclü keçid dövrələrində standart gücləndirmə rejimində işləməyə imkan verir.

WBG tranzistorları da silisiumdan daha sürətli keçid edir və daha yüksək tezliklərdə işləyə bilir. Daha aşağı "açıq" müqavimət onların daha az enerji sərf etməsi və enerji səmərəliliyini artırması deməkdir. Xüsusiyyətlərin bu unikal kombinasiyası bu cihazları avtomobil tətbiqlərində, xüsusən də hibrid və elektrik avtomobillərində ən tələbkar sxemlər üçün cəlbedici edir.

GaN və SiC tranzistorları avtomobil elektrik avadanlıqlarında yaranan çətinliklərə cavab verir

GaN və SiC cihazlarının əsas üstünlükləri: 650 V, 900 V və 1200 V cihazları ilə yüksək gərginlik qabiliyyəti,

Silisium karbid:

Daha yüksək 1700V.3300V və 6500V.

Daha sürətli keçid sürəti,

Daha yüksək əməliyyat temperaturları.

Müqavimətdə aşağı, minimum enerji sərfiyyatı və daha yüksək enerji səmərəliliyi.

GaN Cihazları

Tətbiqlərin dəyişdirilməsində adətən “söndürülmüş” təkmilləşdirmə rejimli (və ya E-rejim) cihazlara üstünlük verilir ki, bu da E-rejim GaN cihazlarının inkişafına səbəb oldu. Əvvəlcə iki FET cihazının kaskadı gəldi (Şəkil 2). İndi standart e-rejimli GaN cihazları mövcuddur. Onlar 10 MHz-ə qədər tezliklərdə və onlarla kilovata qədər güc səviyyələrində keçid edə bilərlər.

GaN cihazları simsiz avadanlıqlarda 100 GHz-ə qədər tezliklərdə güc gücləndiriciləri kimi geniş istifadə olunur. Əsas istifadə hallarından bəziləri mobil baza stansiyasının güc gücləndiriciləri, hərbi radarlar, peyk ötürücüləri və ümumi RF gücləndiriciləridir. Bununla belə, yüksək gərginlik (1000 V-a qədər), yüksək temperatur və sürətli keçid səbəbindən onlar DC-DC çeviriciləri, çeviricilər və batareya doldurucular kimi müxtəlif kommutasiya güc tətbiqlərinə də daxil edilir.

SiC Cihazları

SiC tranzistorları təbii E-rejimli MOSFET-lərdir. Bu qurğular 1 MHz-ə qədər tezliklərdə və silikon MOSFET-lərdən xeyli yüksək gərginlik və cərəyan səviyyələrində keçid edə bilir. Maksimum drenaj mənbəyi gərginliyi təxminən 1800 V-ə qədər, cərəyan gücü isə 100 amperdir. Bundan əlavə, SiC cihazları silikon MOSFET-lərə nisbətən daha aşağı müqavimətə malikdir və nəticədə bütün kommutasiya enerji təchizatı tətbiqlərində (SMPS dizaynları) daha yüksək səmərəlilik əldə edilir.

SiC cihazları aşağı müqavimətlə cihazı işə salmaq üçün 18-20 voltluq bir qapı gərginliyi sürücüsü tələb edir. Standart Si MOSFET-ləri tam işə salmaq üçün qapıda 10 voltdan az tələb olunur. Əlavə olaraq, SiC cihazları sönük vəziyyətə keçmək üçün -3 ilə -5 V arasında bir qapı sürücüsü tələb edir. SiC MOSFET-lərin yüksək gərginlikli, yüksək cərəyan imkanları onları avtomobil elektrik dövrələri üçün ideal hala gətirir.

Bir çox tətbiqlərdə IGBT-lər SiC cihazları ilə əvəz olunur. SiC cihazları daha yüksək tezliklərdə keçid edə bilər, induktorların və ya transformatorların ölçüsünü və qiymətini azaldır, eyni zamanda səmərəliliyi artırır. Bundan əlavə, SiC GaN-dən daha yüksək cərəyanları idarə edə bilər.

GaN və SiC cihazları, xüsusən silikon LDMOS MOSFETlər, superjunction MOSFETlər və IGBT-lər arasında rəqabət var. Bir çox tətbiqlərdə onlar GaN və SiC tranzistorları ilə əvəz olunur.

GaN və SiC müqayisəsini ümumiləşdirmək üçün əsas məqamlar bunlardır:

GaN Si-dən daha sürətli dəyişir.

SiC GaN-dən daha yüksək gərginliklərdə işləyir.

SiC yüksək gate sürücü gərginlikləri tələb edir.

Bir çox güc sxemləri və cihazları GaN və SiC ilə dizayn etməklə təkmilləşdirilə bilər. Ən böyük faydalananlardan biri avtomobil elektrik sistemidir. Müasir hibrid və elektrik avtomobillərində bu cihazlardan istifadə edə bilən qurğular var. Populyar tətbiqlərdən bəziləri OBC-lər, DC-DC çeviriciləri, motor sürücüləri və LiDAR-dır. Şəkil 3 yüksək güclü keçid tranzistorları tələb edən elektrik nəqliyyat vasitələrinin əsas alt sistemlərini göstərir.

Şəkil 3.  Hibrid və elektrik avtomobilləri üçün WBG bortda doldurulmuş şarj cihazı (OBC). AC girişi düzəldilir, güc faktoru düzəldilir (PFC) və sonra DC-DC çevrilir

DC-DC çeviricisi. Bu, digər elektrik cihazlarını işə salmaq üçün yüksək batareya gərginliyini aşağı gərginliyə çevirən bir elektrik dövrəsidir. Bugünkü batareyanın gərginliyi 600V və ya 900V-a qədər dəyişir. DC-DC çeviricisi digər elektron komponentlərin işləməsi üçün onu 48V və ya 12V və ya hər ikisinə endirir (Şəkil 3). Hibrid elektrik və elektrik nəqliyyat vasitələrində (HEVEV) DC-DC batareya dəsti və çevirici arasında yüksək gərginlikli avtobus üçün də istifadə edilə bilər.

Bortda olan şarj cihazları (OBCs). Plug-in HEVEV və EV-lərdə AC elektrik şəbəkəsinə qoşula bilən daxili batareya doldurucusu var. Bu, xarici AC-DC şarj cihazına ehtiyac olmadan evdə enerji doldurmağa imkan verir (Şəkil 4).

Əsas sürücü motor sürücüsü. Əsas sürücü mühərriki avtomobilin təkərlərini idarə edən yüksək çıxışlı AC mühərrikidir. Sürücü, mühərriki çevirmək üçün akkumulyatorun gərginliyini üç fazalı AC-yə çevirən bir çeviricidir.

Şəkil 4. Yüksək batareya gərginliklərini 12 V və/və ya 48 V-a çevirmək üçün tipik DC-DC çeviricisi istifadə olunur. Yüksək gərginlikli körpülərdə istifadə olunan IGBT-lər SiC MOSFET-lərlə əvəz olunur.

GaN və SiC tranzistorları yüksək gərginlik, yüksək cərəyan və sürətli keçid xüsusiyyətlərinə görə avtomobil elektrik dizaynerlərinə elastiklik və daha sadə dizaynlar, eləcə də üstün performans təklif edir.

VeTek Semiconductor peşəkar Çin istehsalçısıdırTantal karbid örtüyü, Silikon Karbid Kaplama, GaN məhsulları, Xüsusi Qrafit, Silikon karbid keramikavəDigər yarımkeçirici keramika. VeTek Semiconductor yarımkeçirici sənayesi üçün müxtəlif Kaplama məhsulları üçün qabaqcıl həllər təqdim etməyə sadiqdir.

Hər hansı bir sualınız varsa və ya əlavə məlumatlara ehtiyacınız varsa, bizimlə əlaqə saxlamaqdan çəkinməyin.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-poçt: anny@veteksemi.com