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

SiCوGaNبه 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 پهن باند

نیترید گالیم (GaN)وکاربید سیلیکون (SiC)از نظر فاصله باند و میدان شکست نسبتا مشابه هستند. گپ باند نیترید گالیوم 3.2 eV است، در حالی که گپ باند کاربید سیلیکون 3.4 eV است. اگرچه این مقادیر مشابه به نظر می رسند، اما به طور قابل توجهی بالاتر از فاصله باند سیلیکون هستند. فاصله باند سیلیکون تنها 1.1 eV است که سه برابر کوچکتر از گالیم نیترید و کاربید سیلیکون است. فاصله باند بالاتر این ترکیبات به نیترید گالیوم و کاربید سیلیکون اجازه می دهد تا مدارهای ولتاژ بالاتر را به راحتی پشتیبانی کنند، اما نمی توانند مدارهای ولتاژ پایین مانند سیلیکون را 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، به این معنی 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 با تحرک الکترونی بالا (HEMT)

مهم ترین تفاوت بین GaN و SiC تحرک الکترون آنها است که نشان می دهد الکترون ها با چه سرعتی در مواد نیمه هادی حرکت می کنند. اولاً، سیلیکون دارای تحرک الکترون 1500 cm^2/Vs است. GaN دارای تحرک الکترون 2000 cm^2/Vs است، به این معنی که الکترون ها بیش از 30 درصد سریعتر از الکترون های سیلیکون حرکت می کنند. با این حال، SiC دارای تحرک الکترون 650 cm^2/Vs است، به این معنی که الکترون‌های SiC کندتر از GaN و Si حرکت می‌کنند. با چنین تحرک الکترونی بالایی، GaN تقریباً سه برابر بیشتر برای کاربردهای فرکانس بالا توانایی دارد. الکترون ها می توانند در نیمه هادی های GaN بسیار سریعتر از SiC حرکت کنند.

4. هدایت حرارتی GaN و SiC

رسانایی حرارتی یک ماده توانایی آن در 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 پرقدرت، ناکارآمدی مواد باعث تولید گرما می شود که باعث افزایش دمای ماده و متعاقباً تغییر خواص الکتریکی آن می شود. GaN دارای رسانایی حرارتی 1.3 W/cmK است که در واقع بدتر از سیلیکون است که رسانایی 1.5 W/cmK دارد. با این حال، SiC دارای رسانایی حرارتی 5 وات بر سانتی‌متر K است که آن را تقریباً سه برابر در انتقال بارهای گرمایی بهتر می‌کند. این ویژگی SiC را در کاربردهای با قدرت و دمای بالا بسیار سودمند می کند.

5. فرآیند تولید ویفر نیمه هادی

فرآیندهای تولید کنونی یک عامل محدود کننده 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 محصول مؤثرتری باشد زیرا ساخت ویفرهای SiC بزرگتر و یکنواخت تر از نیترید گالیوم آسان تر است. با گذشت زمان، نیترید گالیوم جای خود را در محصولات کوچک و با فرکانس بالا با توجه به تحرک الکترون بالاتر خود پیدا می کند. کاربید سیلیکون در محصولات با قدرت بزرگتر مطلوب تر خواهد بود زیرا قابلیت های قدرت آن بالاتر از هدایت حرارتی نیترید گالیم است.

نیترید گالیم anدستگاه‌های 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 پهن باند

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 آبشاری dual-FET یک ترانزیستور GaN را به یک دستگاه معمولی خاموش تبدیل می کند و عملکرد حالت بهبود استاندارد را در مدارهای سوئیچینگ با توان بالا امکان پذیر می کند.

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 پرتقاضاترین 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 1700V.3300V و 6500V.

سرعت سوئیچینگ سریعتر،

دمای عملیاتی بالاتر

مقاومت کمتر، حداقل اتلاف توان و راندمان انرژی بالاتر.

دستگاه های GaN

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 در تجهیزات بی سیم به عنوان تقویت کننده قدرت در فرکانس های تا 100 گیگاهرتز استفاده می شود. برخی از موارد استفاده اصلی تقویت‌کننده‌های برق ایستگاه پایه سلولی، رادارهای نظامی، فرستنده‌های ماهواره‌ای و تقویت عمومی RF هستند. با این حال، به دلیل ولتاژ بالا (تا 1000 ولت)، دمای بالا و سوئیچینگ سریع، آنها همچنین در برنامه های مختلف برق سوئیچینگ مانند مبدل های DC-DC، اینورترها و شارژرهای باتری گنجانده شده اند.

دستگاه های SiC

ترانزیستورهای SiC ماسفت های حالت E طبیعی هستند. این دستگاه ها می توانند در فرکانس های تا 1 مگاهرتز و در سطوح ولتاژ و جریان بسیار بالاتر از ماسفت های سیلیکونی سوئیچ شوند. حداکثر ولتاژ منبع تخلیه تا حدود 1800 ولت و قابلیت جریان 100 آمپر است. علاوه بر این، دستگاه‌های SiC نسبت به ماسفت‌های سیلیکونی مقاومت بسیار پایین‌تری دارند و در نتیجه راندمان بالاتری در تمام برنامه‌های منبع تغذیه سوئیچینگ (طراحی‌های SMPS) دارند.

دستگاه‌های SiC به یک درایو ولتاژ دروازه‌ای 18 تا 20 ولتی 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 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 نسبت به GaN داشته باشد.

رقابت بین دستگاه‌های GaN و SiC، به‌ویژه ماسفت‌های LDMOS سیلیکونی، ماسفت‌های سوپرجونشن و IGBT وجود دارد. 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:

GaN سریعتر از Si سوئیچ می کند.

SiC در ولتاژهای بالاتر از GaN عمل می کند.

SiC به ولتاژ درایو گیت بالا نیاز دارد.

بسیاری از مدارها و دستگاه های قدرت را می توان با طراحی با GaN و SiC بهبود بخشید. یکی از بزرگترین ذینفعان سیستم برق خودرو است. خودروهای هیبریدی و الکتریکی مدرن دارای وسایلی هستند که می توانند از این وسایل استفاده کنند. برخی از برنامه های محبوب عبارتند از OBC ها، مبدل های DC-DC، درایوهای موتور و LiDAR. شکل 3 به زیرسیستم های اصلی در خودروهای الکتریکی اشاره می کند که به ترانزیستورهای سوئیچینگ توان بالا نیاز دارند.

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-DC. این یک مدار برق است که ولتاژ باتری بالا را به ولتاژ پایین تر برای راه اندازی سایر دستگاه های الکتریکی تبدیل می کند. ولتاژ باتری امروزی تا 600 ولت یا 900 ولت است. مبدل DC-DC آن را به 48 ولت یا 12 ولت، یا هر دو، برای عملکرد سایر قطعات الکترونیکی کاهش می دهد (شکل 3). در خودروهای هیبریدی الکتریکی و الکتریکی (HEVEVs)، DC-DC همچنین می تواند برای گذرگاه ولتاژ بالا بین بسته باتری و اینورتر استفاده شود.

شارژرهای داخلی (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 اصلی. موتور محرک اصلی یک موتور AC با خروجی بالا است که چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد. درایور یک اینورتر است که ولتاژ باتری را به AC سه فاز تبدیل می کند تا موتور را بچرخاند.

شکل 4. یک مبدل DC-DC معمولی برای تبدیل ولتاژ باتری های بالا به 12 ولت و/یا 48 ولت استفاده می شود. IGBT های مورد استفاده در پل های ولتاژ بالا با ماسفت های SiC جایگزین می شوند.

ترانزیستورهای GaN و SiC به دلیل ویژگی‌های ولتاژ بالا، جریان بالا و سوئیچینگ سریع، انعطاف‌پذیری و طراحی ساده‌تر و همچنین عملکرد برتر را به طراحان برق خودرو ارائه می‌دهند.

VeTek Semiconductor یک تولید کننده حرفه ای چینی استپوشش کاربید تانتالیوم, پوشش کاربید سیلیکون, محصولات GaN, گرافیت ویژه, سرامیک سیلیکون کاربیدوسایر سرامیک های نیمه هادی. VeTek Semiconductor متعهد به ارائه راه حل های پیشرفته برای محصولات مختلف پوشش برای صنعت نیمه هادی است.

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

Mob/WhatsAPP: 0752 6922 180-86+

ایمیل: anny@veteksemi.com