Silikon karbür (sic) ve galyum nitrür (GAN) uygulamaları arasındaki fark nedir? - Vetek Yarıiletken

SicVeİkisi birden"geniş bant aralığı yarı iletkenleri" (WBG) olarak adlandırılır. Kullanılan üretim süreci nedeniyle, WBG cihazları aşağıdaki avantajları göstermektedir:

1. Geniş bant aralığı yarı iletkenleri

Galyum Nitrür (Gan)VeSilikon Karbür (sic)bant aralığı ve arıza alanı açısından nispeten benzerdir. Galyum nitrürün bant boşluğu 3.2 eV, silikon karbür bant boşluğu 3.4 eV'dir. Bu değerler benzer görünse de, silikon bant aralığından önemli ölçüde daha yüksektir. Silikon bant aralığı sadece 1.1 eV'dir, bu da galyum nitrür ve silikon karbürden üç kat daha küçüktür. Bu bileşiklerin daha yüksek bant haritaları, galyum nitrür ve silikon karbürün daha yüksek voltaj devrelerini rahatça desteklemesine izin verir, ancak silikon gibi düşük voltaj devrelerini destekleyemezler.

2. Arıza Alanı Gücü

Galyum nitrür ve silikon karbürün arıza alanları nispeten benzerdir, galyum nitrür 3.3 mV/cm'lik bir arıza alanı ve 3.5 mV/cm'lik bir arıza alanına sahip silikon karbüre sahiptir. Bu arıza alanları, bileşiklerin daha yüksek voltajları normal silikondan önemli ölçüde daha iyi işlemesine izin verir. Silikon, 0.3 mV/cm'lik bir arıza alanına sahiptir, bu da Gan ve SIC'nin daha yüksek voltajları sürdürebilmeleri neredeyse on kat daha fazla olduğu anlamına gelir. Ayrıca önemli ölçüde daha küçük cihazlar kullanarak daha düşük voltajları destekleyebilirler.

3. Yüksek Elektron Hareketli Transistörü (HEMT)

İkisi birden ve SiC arasındaki en önemli fark, elektronların yarı iletken malzeme içerisinde ne kadar hızlı hareket ettiğini gösteren elektron hareketliliğidir. Birincisi, silikonun elektron hareketliliği 1500 cm^2/Vs'dir. GaN'nin elektron hareketliliği 2000 cm^2/Vs'dir, bu da elektronların silikonun elektronlarından %30'dan daha hızlı hareket ettiği anlamına gelir. Ancak SiC'nin elektron hareketliliği 650 cm^2/Vs'dir, bu da SiC'nin elektronlarının GaN ve Si'nin elektronlarından daha yavaş hareket ettiği anlamına gelir. Bu kadar yüksek elektron hareketliliğiyle GaN, yüksek frekanslı uygulamalar için neredeyse üç kat daha yeteneklidir. Elektronlar GaN yarı iletkenleri boyunca SiC'den çok daha hızlı hareket edebilir.

4. Gan ve sic'in termal iletkenliği

Bir malzemenin termal iletkenliği, ısıyı kendi başına aktarma yeteneğidir. Termal iletkenlik, kullanıldığı ortam göz önüne alındığında, bir malzemenin sıcaklığını doğrudan etkiler. Yüksek güç uygulamalarında, malzemenin verimsizliği, malzemenin sıcaklığını yükselten ve daha sonra elektriksel özelliklerini değiştiren ısı üretir. Gan, 1.3 W/CMK'dan daha kötü olan 1.3 W/CMK ile termal iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte, SIC 5 CMK w/termal iletkenliğine sahiptir, bu da ısı yüklerini aktarmada yaklaşık üç kat daha iyi hale getirir. Bu özellik SIC'yi yüksek güçlü, yüksek sıcaklık uygulamalarında oldukça avantajlı hale getirir.

5. Yarı İletken Gofret Üretim Süreci

Mevcut üretim süreçleri GaN ve SiC için sınırlayıcı bir faktördür çünkü bunlar yaygın olarak benimsenen silikon üretim süreçlerinden daha pahalıdır, daha az hassastır veya daha fazla enerji yoğundur. Örneğin GaN, küçük bir alanda çok sayıda kristal kusur içerir. Silikon ise santimetre kare başına yalnızca 100 kusur içerebilir. Açıkçası, bu büyük kusur oranı GaN'yi verimsiz kılıyor. Üreticiler son yıllarda büyük ilerlemeler kaydetmiş olsa da, GaN hala katı yarı iletken tasarım gereksinimlerini karşılamakta zorlanıyor.

6. Güç Yarıiletken Pazarı

Silikon ile karşılaştırıldığında, mevcut üretim teknolojisi galyum nitrür ve silikon karbürün maliyet etkinliğini sınırlar ve bu da her iki yüksek güçlü malzemeyi kısa vadede daha pahalı hale getirir. Bununla birlikte, her iki malzemenin de belirli yarı iletken uygulamalarında güçlü avantajları vardır.

Silikon karbür kısa vadede daha etkili bir ürün olabilir, çünkü galyum nitrürden daha büyük ve daha düzgün SIC gofretleri üretmek daha kolaydır. Zamanla, galyum nitrür, daha yüksek elektron hareketliliği göz önüne alındığında küçük, yüksek frekanslı ürünlerde yerini bulacaktır. Silikon karbür, daha büyük güç ürünlerinde daha arzu edilecektir, çünkü güç yetenekleri galyum nitrürün termal iletkenliğinden daha yüksektir.

Galyum nitrür veD Silikon Karbür Cihazları Silikon Yarı İletken (LDMOS) MOSFET'ler ve Süper Junksiyon MOSFET'leri ile rekabet eder. Gan ve SIC cihazları bazı açılardan benzerdir, ancak önemli farklılıklar da vardır.

Şekil 1. Yüksek voltaj, yüksek akım, anahtarlama frekansı ve ana uygulama alanları arasındaki ilişki.

Geniş bant aralığı yarı iletkenleri

WBG bileşiği yarı iletkenleri daha yüksek elektron hareketliliğine ve daha yüksek bant aralığı enerjisine sahiptir, bu da silikon üzerinde üstün özelliklere dönüşür. WBG bileşiği yarı iletkenlerinden yapılan transistörler daha yüksek arıza voltajlarına ve yüksek sıcaklıklara toleransa sahiptir. Bu cihazlar, yüksek voltaj ve yüksek güç uygulamalarında silikon üzerinde avantajlar sunar.

Şekil 2. Çift kuru çift fete kaskad devresi, bir GAN transistörünü normal kapalı bir cihaza dönüştürür ve yüksek güçlü anahtarlama devrelerinde standart geliştirme modu işlemini sağlar

WBG transistörleri ayrıca silikondan daha hızlı geçiş yapar ve daha yüksek frekanslarda çalışabilir. Daha düşük "açık" direnç, daha az güç harcayarak enerji verimliliğini artırdıkları anlamına gelir. Bu benzersiz özellik kombinasyonu, bu cihazları, özellikle hibrit ve elektrikli araçlar olmak üzere otomotiv uygulamalarındaki en zorlu devrelerin bazıları için çekici kılmaktadır.

Otomotiv elektrikli ekipmanlarındaki zorlukların üstesinden gelmek için GaN ve SiC transistörleri

GAN ve SIC cihazlarının temel faydaları: 650 V, 900 V ve 1200 V cihazlarla yüksek voltaj kapasitesi,

Silikon karbür:

Daha yüksek 1700V.3300V ve 6500V.

Daha hızlı anahtarlama hızları,

Daha yüksek çalışma sıcaklıkları.

Daha düşük direnç, minimum güç kaybı ve daha yüksek enerji verimliliği.

Gan Cihazları

Anahtarlama uygulamalarında genellikle “kapalı” olan geliştirme modlu (veya E-modlu) cihazların tercih edilmesi, E-mod GaN cihazlarının geliştirilmesine yol açmıştır. İlk önce iki FET cihazının art arda sıralanması geldi (Şekil 2). Artık standart e-mod GaN cihazları mevcuttur. 10 MHz'e kadar frekanslarda ve onlarca kilowatt'a kadar güç seviyelerinde geçiş yapabilirler.

GAN cihazları, kablosuz ekipmanlarda 100 GHz'e kadar frekanslarda güç amplifikatörleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ana kullanım durumlarından bazıları hücresel baz istasyonu güç amplifikatörleri, askeri radarlar, uydu vericileri ve genel RF amplifikasyonudur. Bununla birlikte, yüksek voltaj (1.000 V'a kadar), yüksek sıcaklık ve hızlı anahtarlama nedeniyle, DC-DC dönüştürücüler, invertörler ve pil şarj cihazları gibi çeşitli anahtarlama güç uygulamalarına dahil edilir.

SIC Cihazları

SIC transistörleri doğal e-modu mosfetlerdir. Bu cihazlar 1 MHz'e kadar ve voltaj ve akım seviyelerinde silikon mosfetlerden çok daha yüksek frekanslarda geçebilir. Maksimum drenaj kaynaklı voltaj yaklaşık 1.800 V'a kadar ve akım kapasitesi 100 amper. Ek olarak, SIC cihazları silikon mosfetlerden çok daha düşük dirençlere sahiptir, bu da tüm anahtarlama güç kaynağı uygulamalarında (SMPS tasarımları) daha yüksek verimliliğe neden olur.

SIC cihazları, düşük dirençli cihazı açmak için 18 ila 20 voltluk bir kapı voltaj sürücüsü gerektirir. Standart SI MOSFET'ler, tamamen açılması için kapıda 10 volttan daha azı gerektirir. Ek olarak, SIC cihazları kapalı duruma geçmek için -3 ila -5 V kapı sürücüsüne ihtiyaç duyar. SIC MOSFET'lerin yüksek voltajı, yüksek akım yetenekleri onları otomotiv güç devreleri için ideal hale getirir.

Birçok uygulamada, IGBT'lerin yerini SIC cihazları alıyor. SIC cihazları, verimliliği artırırken indüktörlerin veya transformatörlerin boyutunu ve maliyetini azaltarak daha yüksek frekanslarda geçebilir. Ek olarak, SIC Gan'dan daha yüksek akımları ele alabilir.

Gan ve SIC cihazları, özellikle Silikon LDMOS MOSFET'leri, süper junction mosfets ve IGBT'ler arasında rekabet var. Birçok uygulamada, bunların yerini GAN ve SIC transistörleri ile değiştiriyor.

GAN ve SIC karşılaştırmasını özetlemek gerekirse, burada önemli olanlar şunlardır.

İkisi birden, Si'den daha hızlı geçiş yapar.

Sic, GaN'den daha yüksek voltajlarda çalışır.

SIC, yüksek kapı tahrik voltajları gerektirir.

Gan ve sic ile tasarım yapılarak birçok güç devresi ve cihaz geliştirilebilir. En büyük faydalanıcılardan biri otomotiv elektrik sistemidir. Modern hibrit ve elektrikli araçlar, bu cihazları kullanabilen cihazlar içerir. Popüler uygulamalardan bazıları OBC'ler, DC-DC dönüştürücüler, motor sürücüler ve LIDAR'dır. Şekil 3, yüksek güç anahtarlama transistörleri gerektiren elektrikli araçlardaki ana alt sistemlere dikkat çekmektedir.

Şekil 3.  Hibrit ve elektrikli araçlar için WBG yerleşik şarj cihazı (OBC). AC girişi düzeltilir, güç faktörü düzeltilir (PFC) ve ardından DC-DC dönüştürülür

DC-DC dönüştürücü. Bu, diğer elektrikli cihazları çalıştırmak için yüksek akü voltajını daha düşük bir voltaja dönüştüren bir güç devresidir. Günümüzün akü voltajı 600V veya 900V'a kadar değişmektedir. DC-DC dönüştürücü, diğer elektronik bileşenlerin çalışması için bunu 48V veya 12V'a veya her ikisine birden düşürür (Şekil 3). Hibrit elektrikli ve elektrikli araçlarda (HEVEV'ler), akü grubu ile invertör arasındaki yüksek gerilim veriyolu için DC-DC de kullanılabilir.

Yerleşik şarj cihazları (OBC'ler). Plug-in Hevevs ve EV'ler, bir AC şebeke beslemesine bağlanabilen dahili bir pil şarj cihazı içerir. Bu, harici bir AC - DC şarj cihazına ihtiyaç duymadan evde şarj olmaya izin verir (Şekil 4).

Ana tahrik motoru sürücüsü. Ana tahrik motoru, aracın tekerleklerini yönlendiren yüksek çıkışlı bir AC motorudur. Sürücü, motoru çevirmek için pil voltajını üç fazlı AC'ye dönüştüren bir invertördür.

Şekil 4. Yüksek pil voltajlarını 12 V ve/veya 48 V'ye dönüştürmek için tipik bir DC-DC dönüştürücü kullanılır. Yüksek voltajlı köprülerde kullanılan IGBT'ler SIC MOSFET'leri ile değiştirilmektedir.

GAN ve SIC transistörleri, yüksek voltaj, yüksek akım ve hızlı anahtarlama özellikleri nedeniyle otomotiv elektrik tasarımcılarına esneklik ve daha basit tasarımlar ve üstün performans sunar.

VeTek Semiconductor profesyonel bir Çinli üreticidir.Tantal Karbür Kaplama, Silikon karbür kaplama, İkisi birden ürünleri, Özel grafit, Silisyum Karbür SeramiklerVeDiğer Yarı İletken Seramikler. VeTek Semiconductor, yarı iletken endüstrisine yönelik çeşitli Kaplama ürünlerine yönelik gelişmiş çözümler sunmaya kendini adamıştır.

Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-posta: anny@veteksemi.com