การใช้งานซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แตกต่างกันอย่างไร - เวเทค เซมิคอนดักเตอร์

sicและกานเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำ bandgap แบบกว้าง" (WBG) เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ใช้ อุปกรณ์ WBG มีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. เซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้าง

Gallium Nitride (Gan)และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC)มีความคล้ายคลึงกันในแง่ของ bandgap และ field breakdown bandgap ของแกลเลียมไนไตรด์คือ 3.2 eV ในขณะที่ bandgap ของซิลิคอนคาร์ไบด์คือ 3.4 eV แม้ว่าค่าเหล่านี้จะคล้ายกัน แต่ก็สูงกว่า bandgap ของซิลิคอนอย่างมีนัยสำคัญ bandgap ของซิลิคอนมีเพียง 1.1 eV ซึ่งเล็กกว่าของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์สามเท่า bandgaps ที่สูงขึ้นของสารประกอบเหล่านี้อนุญาตให้แกลเลียมไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์รองรับวงจรแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้อย่างสะดวกสบาย แต่พวกเขาไม่สามารถรองรับวงจรแรงดันไฟฟ้าต่ำเช่นซิลิกอนได้

2. ความแรงของสนามพังทลาย

สนามย่อยของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์ค่อนข้างคล้ายกันโดยแกลเลียมไนไตรด์มีสนามสลาย 3.3 mV/ซม. และซิลิกอนคาร์ไบด์มีสนามสลาย 3.5 mV/ซม. ฟิลด์การแยกย่อยเหล่านี้ช่วยให้สารประกอบสามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ดีกว่าซิลิคอนทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ ซิลิคอนมีสนามสลาย 0.3 mV/cm ซึ่งหมายความว่า GaN และ SIC มีความสามารถในการรักษาแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเกือบสิบเท่า พวกเขายังสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าโดยใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กอย่างมีนัยสำคัญ

3. ทรานซิสเตอร์เคลื่อนที่อิเล็กตรอนสูง (HEMT)

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่าง GaN และ SiC คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้เร็วแค่ไหน ประการแรก ซิลิคอนมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 1,500 cm^2/Vs GaN มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 2,000 cm^2/Vs ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วกว่าอิเล็กตรอนของซิลิคอนมากกว่า 30% อย่างไรก็ตาม SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 650 cm^2/Vs ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนของ SiC เคลื่อนที่ช้ากว่าอิเล็กตรอนของ GaN และ Si ด้วยความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่สูงเช่นนี้ GaN จึงมีความสามารถในการใช้งานความถี่สูงได้มากกว่าเกือบสามเท่า อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านเซมิคอนดักเตอร์ GaN ได้เร็วกว่า SiC มาก

4. การนำความร้อนของ GaN และ sic

ค่าการนำความร้อนของวัสดุคือความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนผ่านตัวเอง การนำความร้อนส่งผลโดยตรงต่ออุณหภูมิของวัสดุเนื่องจากสภาพแวดล้อมที่ใช้ ในการใช้งานที่ใช้พลังงานสูงความไร้ประสิทธิภาพของวัสดุจะสร้างความร้อนซึ่งทำให้อุณหภูมิของวัสดุเพิ่มขึ้นและต่อมาเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้า GAN มีค่าการนำความร้อน 1.3 W/CMK ซึ่งจริง ๆ แล้วแย่กว่าซิลิคอนซึ่งมีค่าการนำไฟฟ้า 1.5 W/CMK อย่างไรก็ตาม SIC มีค่าการนำความร้อน 5 w/cmk ทำให้ดีขึ้นเกือบสามเท่าในการถ่ายโอนภาระความร้อน สถานที่ให้บริการนี้ทำให้ SIC เป็นประโยชน์อย่างมากในการใช้งานที่มีกำลังสูงและอุณหภูมิสูง

5. กระบวนการผลิตเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์

กระบวนการผลิตในปัจจุบันเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับ GaN และ SiC เนื่องจากมีราคาแพงกว่า แม่นยำน้อยกว่า หรือใช้พลังงานมากกว่ากระบวนการผลิตซิลิคอนที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ตัวอย่างเช่น GaN มีข้อบกพร่องของคริสตัลจำนวนมากในพื้นที่ขนาดเล็ก ในทางกลับกัน ซิลิคอนสามารถมีข้อบกพร่องได้เพียง 100 รายการต่อตารางเซนติเมตร แน่นอนว่าอัตราข้อบกพร่องขนาดใหญ่นี้ทำให้ GaN ไม่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่ผู้ผลิตมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา GaN ยังคงดิ้นรนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่เข้มงวด

6. ตลาดเซมิคอนดักเตอร์กำลัง

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน เทคโนโลยีการผลิตในปัจจุบันจำกัดความคุ้มทุนของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้วัสดุกำลังสูงทั้งสองมีราคาแพงกว่าในระยะสั้น อย่างไรก็ตาม วัสดุทั้งสองมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์เฉพาะ

ซิลิกอนคาร์ไบด์อาจเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในระยะสั้นเพราะมันง่ายกว่าที่จะผลิตเวเฟอร์ SIC ที่ใหญ่กว่าและสม่ำเสมอกว่า Gallium Nitride เมื่อเวลาผ่านไป Gallium Nitride จะพบสถานที่ในผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กความถี่สูงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น ซิลิกอนคาร์ไบด์จะเป็นที่ต้องการในผลิตภัณฑ์พลังงานขนาดใหญ่มากขึ้นเนื่องจากความสามารถในการใช้พลังงานสูงกว่าการนำความร้อนของแกลเลียมไนไตรด์

Gallium Nitride anอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์แข่งขันกับ MOSFET ซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์ (LDMOS) และ MOSFET ซุปเปอร์จังค์ชัน อุปกรณ์ GaN และ SiC มีความคล้ายคลึงกันในบางด้าน แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญเช่นกัน

รูปที่ 1. ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าสูงกระแสสูงความถี่สลับและพื้นที่แอปพลิเคชันที่สำคัญ

สารกึ่งตัวนำแบบ Bandgap แบบไวด์

เซมิคอนดักเตอร์แบบผสม WBG มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่าและมีพลังงานแบนด์แกปที่สูงกว่า ซึ่งแปลเป็นคุณสมบัติที่เหนือกว่าซิลิคอน ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์ผสม WBG มีแรงดันพังทลายที่สูงกว่าและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง

รูปที่ 2. วงจรคาสเคดคู่แบบ dual-die dual-fet แปลงทรานซิสเตอร์ GaN เป็นอุปกรณ์ปกติปิดเปิดใช้งานการทำงานของโหมดการเพิ่มประสิทธิภาพมาตรฐานในวงจรสวิตช์พลังงานสูง

ทรานซิสเตอร์ WBG ยังสลับเร็วกว่าซิลิกอนและสามารถทำงานได้ที่ความถี่สูงกว่า ความต้านทาน“ เปิด” ที่ต่ำกว่าหมายความว่าพวกเขากระจายพลังงานน้อยลงปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของลักษณะนี้ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้น่าสนใจสำหรับวงจรที่ต้องการมากที่สุดในการใช้งานยานยนต์โดยเฉพาะรถยนต์ไฮบริดและไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์ GAN และ SIC เพื่อตอบสนองความท้าทายในอุปกรณ์ไฟฟ้ายานยนต์

ประโยชน์หลักของอุปกรณ์ GAN และ SIC: ความสามารถในการแรงดันไฟฟ้าสูงพร้อมอุปกรณ์ 650 V, 900 V และ 1200 V

ซิลิคอนคาร์ไบด์:

สูงกว่า 1700V.3300V และ 6500V

ความเร็วในการสลับเร็วขึ้น

อุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้น

ความต้านทานต่ำ การกระจายพลังงานน้อยที่สุด และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น

อุปกรณ์กาน

ในการสลับแอปพลิเคชันอุปกรณ์เสริมโหมด (หรือ E-mode) ซึ่งมักจะเป็น "ปิด" เป็นที่ต้องการซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ E-mode GAN ครั้งแรกที่มาจากสายของอุปกรณ์ FET สองตัว (รูปที่ 2) ตอนนี้อุปกรณ์ E-Mode GAN มาตรฐานพร้อมใช้งาน พวกเขาสามารถสลับที่ความถี่สูงสุด 10 MHz และระดับพลังงานสูงถึงสิบกิโลวัตต์

อุปกรณ์ GaN ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไร้สายเป็นเครื่องขยายกำลังที่ความถี่สูงถึง 100 GHz กรณีการใช้งานหลักบางส่วน ได้แก่ เครื่องขยายสัญญาณเสียงสถานีฐานโทรศัพท์มือถือ เรดาร์ทหาร เครื่องส่งผ่านดาวเทียม และเครื่องขยายสัญญาณ RF ทั่วไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไฟฟ้าแรงสูง (สูงถึง 1,000 V) อุณหภูมิสูง และการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว อุปกรณ์เหล่านี้จึงถูกรวมเข้ากับแอปพลิเคชันพลังงานสวิตชิ่งต่างๆ เช่น ตัวแปลง DC-DC อินเวอร์เตอร์ และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่

อุปกรณ์ sic

ทรานซิสเตอร์ SIC เป็น MOSFET แบบ E-mode ธรรมชาติ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถสลับที่ความถี่สูงสุด 1 MHz และที่ระดับแรงดันไฟฟ้าและระดับกระแสสูงกว่า mosfets ซิลิคอนมาก แรงดันไฟฟ้าการระบายน้ำสูงสุดสูงถึงประมาณ 1,800 V และความสามารถในปัจจุบันคือ 100 แอมป์ นอกจากนี้อุปกรณ์ SIC มีความต้านทานต่ำกว่า Silicon MOSFETs มากส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในแอพพลิเคชั่นการสลับแหล่งจ่ายไฟทั้งหมด (การออกแบบ SMPS)

อุปกรณ์ SIC ต้องการไดรฟ์แรงดันเกต 18 ถึง 20 โวลต์เพื่อเปิดอุปกรณ์ด้วยความต้านทานต่ำ SI MOSFETS มาตรฐานต้องการน้อยกว่า 10 โวลต์ที่ประตูเพื่อเปิดอย่างเต็มที่ นอกจากนี้อุปกรณ์ SIC ต้องใช้ไดรฟ์เกต -3 ถึง -5 V เพื่อสลับไปยังสถานะปิด ความสามารถในปัจจุบันของแรงดันสูงและกระแสสูงของ SIC MOSFETs ทำให้เหมาะสำหรับวงจรพลังงานยานยนต์

ในหลายแอปพลิเคชัน IGBTS กำลังถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ SIC อุปกรณ์ SIC สามารถสลับที่ความถี่ที่สูงขึ้นลดขนาดและค่าใช้จ่ายของตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ นอกจากนี้ SIC สามารถจัดการกระแสที่สูงกว่า GAN

มีการแข่งขันระหว่างอุปกรณ์ GaN และ SiC โดยเฉพาะ MOSFET LDMOS ซิลิคอน, MOSFET ซุปเปอร์จังค์ชัน และ IGBT ในการใช้งานหลายอย่าง ทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์

เพื่อสรุปการเปรียบเทียบ Gan vs. SIC นี่คือไฮไลท์:

Gan สลับเร็วกว่า SI

sic ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า กาน

SIC ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าไดรฟ์สูง

สามารถปรับปรุงวงจรพลังงานและอุปกรณ์จำนวนมากได้โดยการออกแบบด้วย GAN และ SIC หนึ่งในผู้รับผลประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดคือระบบไฟฟ้ายานยนต์ รถยนต์ไฮบริดและไฟฟ้าที่ทันสมัยมีอุปกรณ์ที่สามารถใช้อุปกรณ์เหล่านี้ได้ แอพพลิเคชั่นยอดนิยมบางอย่าง ได้แก่ OBCs ตัวแปลง DC-DC ไดรฟ์มอเตอร์และ LiDAR รูปที่ 3 ชี้ให้เห็นถึงระบบย่อยหลักในยานพาหนะไฟฟ้าที่ต้องการทรานซิสเตอร์สวิตช์พลังงานสูง

รูปที่ 3  ที่ชาร์จออนบอร์ด WBG (OBC) สำหรับรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า อินพุต AC ได้รับการแก้ไข แก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) จากนั้นจึงแปลง DC-DC

ตัวแปลง DC-DC- นี่คือวงจรไฟฟ้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่สูงเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ในปัจจุบันมีช่วงสูงถึง 600V หรือ 900V ตัวแปลง DC-DC ลดระดับลงเป็น 48V หรือ 12V หรือทั้งสองอย่าง สำหรับการทำงานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ (รูปที่ 3) ในยานพาหนะไฟฟ้าและไฟฟ้าไฮบริด (HEVEV) DC-DC ยังสามารถใช้เป็นบัสไฟฟ้าแรงสูงระหว่างชุดแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ได้

เครื่องชาร์จออนบอร์ด (OBCs)- Plug-in HEVEV และ EV มีเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ภายในที่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก AC ซึ่งช่วยให้ชาร์จที่บ้านได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องชาร์จ AC−DC ภายนอก (รูปที่ 4)

ไดรเวอร์มอเตอร์ไดรฟ์หลัก- มอเตอร์ขับเคลื่อนหลักคือมอเตอร์กระแสสลับกำลังสูงที่ขับเคลื่อนล้อรถ ไดรเวอร์คืออินเวอร์เตอร์ที่แปลงแรงดันแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเพื่อหมุนมอเตอร์

รูปที่ 4. ตัวแปลง DC-DC ทั่วไปใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่สูงเป็น 12 V และ/หรือ 48 V. IGBTS ที่ใช้ในสะพานแรงดันสูงจะถูกแทนที่ด้วย SIC MOSFETS

ทรานซิสเตอร์ GAN และ SIC นำเสนอความยืดหยุ่นของนักออกแบบไฟฟ้ายานยนต์และการออกแบบที่ง่ายขึ้นรวมถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูงกระแสสูงและการสลับอย่างรวดเร็ว

VeTek Semiconductor เป็นผู้ผลิตมืออาชีพของจีนการเคลือบ Tantalum Carbide, การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์, สินค้ากาน, กราไฟท์พิเศษ, เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ- Vetek Semiconductor มุ่งมั่นที่จะจัดหาโซลูชั่นขั้นสูงสำหรับผลิตภัณฑ์เคลือบผิวต่างๆสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

ม็อบ/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

อีเมล: anny@veteksemi.com