Zein da silizio karburoa (SiC) eta galio nitruroa (GaN) aplikazioen artean? - VeTek Semiconductor

SiCetaGaN"bandgap zabaleko erdieroale" (WBG) deitzen zaie. Erabilitako ekoizpen prozesua dela eta, WBG gailuek abantaila hauek erakusten dituzte:

1. Banda zabaleko erdieroaleak

Galio nitruroa (GaN)etasilizio karburoa (SiC)nahiko antzekoak dira bandgap eta matxura eremuari dagokionez. Galio nitruroaren banda-aldea 3,2 eV-koa da, eta silizio-karburoaren banda-aldea 3,4 eV-koa da. Balio hauek antzekoak diruditen arren, silizioaren banda-gap-a baino nabarmen handiagoak dira. Silizioaren banda-aldea 1,1 eV baino ez da, hau da, galio nitruroa eta silizio-karburoa baino hiru aldiz txikiagoa. Konposatu hauen banda-huts altuei esker, galio nitruroak eta silizio-karburoak tentsio handiagoko zirkuituak eroso onartzen dituzte, baina ezin dituzte silizioa bezalako tentsio baxuko zirkuiturik onartzen.

2. Matxura Eremuaren Indarra

Galio nitruroaren eta silizio-karburoaren matxura-eremuak nahiko antzekoak dira, galio nitruroak 3,3 MV/cm-ko matxura-eremua eta silizio-karburoak 3,5 MV/cm-ko matxura-eremua du. Matxura-eremu horiei esker, konposatuek tentsio handiagoak kudeatzen dituzte silizio arruntak baino nabarmen hobeto. Silizioak 0,3 MV/cm-ko matxura-eremua du, eta horrek esan nahi du GaN eta SiC ia hamar aldiz handiagoak direla tentsio handiagoak eusteko. Gainera, tentsio baxuagoak onartzen dituzte gailu nabarmen txikiagoak erabiliz.

3. Elektronien mugikortasun handiko transistorea (HEMT)

GaN eta SiC-ren arteko alderik esanguratsuena haien elektroien mugikortasuna da, zeinak elektroiak material erdieroalean zehar zenbat azkar mugitzen diren adierazten du. Lehenik eta behin, silizioak 1500 cm^2/Vs-eko elektroien mugikortasuna du. GaN-ek 2000 cm^2/Vs-eko elektroien mugikortasuna du, hau da, elektroiak silizioaren elektroiak baino % 30 baino azkarrago mugitzen dira. Hala ere, SiC-k 650 cm^2/Vs-eko elektroien mugikortasuna du, hau da, SiC-ren elektroiak GaN eta Si-ren elektroiak baino motelago mugitzen dira. Elektroien mugikortasun handia izanik, GaN ia hiru aldiz gaitasun handiagoa du maiztasun handiko aplikazioetarako. Elektroiak GaN erdieroaleen bidez SiC baino askoz azkarrago mugi daitezke.

4. GaN eta SiC-ren eroankortasun termikoa

Material baten eroankortasun termikoa beroa bere buruaz transferitzeko duen gaitasuna da. Eroankortasun termikoak zuzenean eragiten dio material baten tenperaturari, erabiltzen den ingurunea kontuan hartuta. Potentzia handiko aplikazioetan, materialaren eraginkortasun ezak beroa sortzen du, eta horrek materialaren tenperatura igotzen du eta, ondoren, propietate elektrikoak aldatzen ditu. GaN-ek 1,3 W/cmK-ko eroankortasun termikoa du, silizioarena baino okerragoa dena, 1,5 W/cmK-ko eroankortasuna duena. Hala ere, SiC-k 5 W/cmK-ko eroankortasun termikoa du, eta ia hiru aldiz hobea da bero-kargak transferitzeko. Propietate honek SiC oso abantailatsu bihurtzen du potentzia handiko eta tenperatura altuko aplikazioetan.

5. Erdieroaleen obleak fabrikatzeko prozesua

Gaur egungo fabrikazio-prozesuak faktore mugatzaile bat dira GaN eta SiC-entzat, oso garestiagoak, ez hain zehatzak edo energia-kontsumo handiagoak direlako oso onartutako silizioaren fabrikazio-prozesuak baino. Adibidez, GaN-k kristal-akats ugari ditu eremu txiki batean. Silizioak, berriz, zentimetro karratuko 100 akats baino ez ditu izan. Jakina, akats-tasa handi honek GaN ez-eraginkorra bihurtzen du. Fabrikatzaileek azken urteotan aurrerapen handiak eman dituzten arren, GaN erdieroaleen diseinu eskakizun zorrotzak betetzeko borrokan ari da oraindik.

6. Potentzia Erdieroaleen Merkatua

Silizioarekin alderatuta, egungo fabrikazio-teknologiak galio nitruroaren eta silizio-karburoaren kostu-eraginkortasuna mugatzen du, potentzia handiko material biak garestitzen ditu epe laburrean. Hala ere, bi materialek abantaila handiak dituzte erdieroaleen aplikazio espezifikoetan.

Silizio karburoa produktu eraginkorragoa izan daiteke epe laburrean, galio nitruroa baino SiC oble handiagoak eta uniformeagoak fabrikatzea errazagoa delako. Denborarekin, galio nitruroak bere lekua aurkituko du maiztasun handiko produktu txikietan, elektroien mugikortasun handiagoa dela eta. Silizio karburoa desiragarriagoa izango da potentzia handiagoko produktuetan, bere potentzia-gaitasunak galio nitruroaren eroankortasun termikoa baino handiagoak direlako.

Galio nitruroa and siliziozko karburozko gailuak silizio erdieroaleekin (LDMOS) MOSFETekin eta superjunkzioko MOSFETekin lehiatzen dira. GaN eta SiC gailuak antzekoak dira nolabait, baina desberdintasun handiak ere badaude.

1. irudia. Tentsio altuaren, korronte altuaren, kommutazio-maiztasunaren eta aplikazio-eremu nagusien arteko erlazioa.

Banda zabaleko erdieroaleak

WBG konposatu erdieroaleek elektroien mugikortasun handiagoa eta banda-gap energia handiagoa dute, eta horrek silizioaren gaineko propietate hobeak dira. WBG erdieroale konposatuez egindako transistoreek matxura-tentsio handiagoak dituzte eta tenperatura altuekiko tolerantzia dute. Gailu hauek silizioaren aldean abantailak eskaintzen dituzte tentsio handiko eta potentzia handiko aplikazioetan.

2. Irudia. Troquel bikoitzeko FET kaskada-zirkuitu batek GaN transistore bat normalean itzalitako gailu batean bihurtzen du, hobekuntza-modu estandarra funtzionatzea ahalbidetuz potentzia handiko kommutazio-zirkuituetan.

WBG transistoreak ere silizioa baino azkarrago aldatzen dira eta maiztasun handiagoetan funtziona dezakete. "Pizteko" erresistentzia txikiagoak esan nahi du potentzia gutxiago xahutzen dutela, energia-eraginkortasuna hobetuz. Ezaugarrien konbinazio berezi honek gailu hauek erakargarri bihurtzen ditu automobilgintzako aplikazioetako zirkuitu zorrotzenetako batzuetarako, bereziki ibilgailu hibrido eta elektrikoetarako.

GaN eta SiC transistoreak automozioko ekipamendu elektrikoen erronkei aurre egiteko

GaN eta SiC gailuen abantaila nagusiak: Tentsio handiko gaitasuna, 650 V, 900 V eta 1200 V gailuekin,

Silizio karburoa:

1700V.3300V eta 6500V handiagoa.

Aldaketa-abiadura azkarragoak,

Funtzionamendu-tenperatura altuagoak.

Erresistentzia txikiagoa, potentzia xahutze minimoa eta energia-eraginkortasun handiagoa.

GaN gailuak

Aldaketa-aplikazioetan, hobekuntza-moduko (edo E-moduko) gailuak hobesten dira, normalean "desaktibatuta" egon ohi direnak, eta horrek E-moduko GaN gailuak garatu zituen. Lehenengo bi FET gailuren kaskada etorri zen (2. irudia). Orain, modu elektronikoko GaN gailu estandarrak eskuragarri daude. 10 MHz arteko maiztasunetan eta hamarka kilowatt arteko potentzia-mailetan alda daitezke.

GaN gailuak haririk gabeko ekipoetan asko erabiltzen dira potentzia-anplifikadore gisa 100 GHz-ra arteko maiztasunetan. Erabilera-kasu nagusietako batzuk oinarrizko estazio zelularren potentzia-anplifikadoreak, radar militarrak, satelite-igorleak eta RF anplifikazio orokorra dira. Hala eta guztiz ere, tentsio altua (1.000 V-ra arte), tenperatura altua eta kommutazio azkarra direla eta, kommutazio potentziako hainbat aplikaziotan ere sartzen dira, hala nola DC-DC bihurgailuak, inbertsoreak eta bateria-kargagailuak.

SiC gailuak

SiC transistoreak E moduko MOSFET naturalak dira. Gailu hauek 1 MHz arteko maiztasunetan eta silizio MOSFETak baino tentsio eta korronte maila askoz altuagoetan alda daitezke. Draina-iturriaren tentsio maximoa 1.800 V ingurukoa da eta korronte-gaitasuna 100 amperekoa da. Gainera, SiC gailuek silizio MOSFETek baino erresistentzia askoz txikiagoa dute, eta ondorioz, eraginkortasun handiagoa dute elikadura kommutazioko aplikazio guztietan (SMPS diseinuak).

SiC gailuek 18 eta 20 voltio arteko ate-tentsioko unitate bat behar dute gailua pizteko erresistentzia baxuarekin. Si MOSFET estandarrak 10 voltio baino gutxiago behar ditu atean guztiz pizteko. Gainera, SiC gailuek -3 eta -5 V-ko ate unitate bat behar dute off egoerara aldatzeko. SiC MOSFETen tentsio handiko eta korronte handiko gaitasunek ezin hobeak bihurtzen dituzte automobilgintzako potentzia-zirkuituetarako.

Aplikazio askotan, IGBTak SiC gailuekin ordezkatzen ari dira. SiC gailuak maiztasun handiagoetan alda daitezke, induzigailuen edo transformadoreen tamaina eta kostua murriztuz eraginkortasuna hobetuz. Gainera, SiC-k GaN baino korronte handiagoak maneiatu ditzake.

GaN eta SiC gailuen arteko lehia dago, batez ere siliziozko LDMOS MOSFETak, superjunkzio MOSFETak eta IGBTak. Aplikazio askotan, GaN eta SiC transistoreek ordezkatzen ari dira.

GaN eta SiC alderaketa laburtzeko, hona hemen aipagarrienak:

GaN Si baino azkarrago aldatzen da.

SiC-k GaN baino tentsio altuagoetan funtzionatzen du.

SiC-k atearen gidatzeko tentsio handiak behar ditu.

Potentzia-zirkuitu eta gailu asko hobetu daitezke GaN eta SiC-ekin diseinatuz. Onuradun handienetako bat automobilgintzako sistema elektrikoa da. Ibilgailu hibrido eta elektriko modernoek gailu hauek erabil ditzaketen gailuak dituzte. Aplikazio ezagunetako batzuk OBCak, DC-DC bihurgailuak, motor unitateak eta LiDAR dira. 3. irudiak potentzia handiko transistore kommutazio behar duten ibilgailu elektrikoetako azpisistema nagusiak adierazten ditu.

3. irudia.  WBG barneko kargagailua (OBC) ibilgailu hibrido eta elektrikoetarako. AC sarrera zuzentzen da, potentzia-faktorea zuzendu (PFC) eta gero DC-DC bihurtzen da

DC-DC bihurgailua. Bateriaren tentsio altua tentsio baxuago batean bihurtzen duen potentzia-zirkuitu bat da, beste gailu elektriko batzuk martxan jartzeko. Gaur egungo bateriaren tentsioa 600V edo 900V artekoa da. DC-DC bihurgailuak 48V edo 12V-ra murrizten du, edo bietara, beste osagai elektroniko batzuen funtzionamendurako (3. irudia). Ibilgailu elektriko eta elektriko hibridoetan (HEVEV), DC-DC bateria-paketearen eta inbertsorearen arteko tentsio handiko autobuserako ere erabil daiteke.

Barneko kargagailuak (OBC). HEVEV-ek eta EV-ek barneko bateria-kargagailu bat daukate, AC sareko hornidura batera konektatu daitekeena. Horri esker, etxean kargatzen da kanpoko AC-DC kargagailurik beharrik gabe (4. irudia).

Motor gidari nagusia. Eraikuntza-motor nagusia ibilgailuaren gurpilak gidatzen dituen irteera handiko motor bat da. Gidaria bateriaren tentsioa AC trifasikora bihurtzen duen inbertsore bat da, motorra pizteko.

4. Irudia. DC-DC bihurgailu tipiko bat erabiltzen da bateriaren tentsio altuak 12 V eta/edo 48 V-tara bihurtzeko. Tentsio handiko zubietan erabiltzen diren IGBTak SiC MOSFETekin ordezkatzen ari dira.

GaN eta SiC transistoreek automobilgintzako diseinatzaile elektrikoei malgutasuna eta diseinu sinpleagoak eskaintzen dizkiete, baita errendimendu handiagoa ere, tentsio handiko, korronte handiko eta kommutazio azkarraren ezaugarriengatik.

VeTek Semiconductor Txinako fabrikatzaile profesionala daTantalo Karburozko Estaldura, Silizio-karburozko estaldura, GaN produktuak, Grafito berezia, Silizio Karburo ZeramikaetaBeste Erdieroale Zeramika batzuk. VeTek Semiconductor-ek erdieroaleen industriarako estaldura produktuetarako soluzio aurreratuak eskaintzeko konpromisoa hartu du.

Kontsultarik baduzu edo xehetasun gehiago behar badituzu, ez izan zalantzarik eta jarri gurekin harremanetan.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Posta elektronikoa: anny@veteksemi.com