Кремний карбиді (SiC) мен галий нитриді (GaN) қолданбаларының айырмашылығы неде? - VeTek жартылай өткізгіш

SiCжәнеGaN«кең жолақты жартылай өткізгіштер» (WBG) деп аталады. Қолданылатын өндірістік процеске байланысты WBG құрылғылары келесі артықшылықтарды көрсетеді:

1. Кең жолақты жартылай өткізгіштер

Галий нитриді (GaN)жәнекремний карбиді (SiC)диапазон және бұзылу өрісі бойынша салыстырмалы түрде ұқсас. Галлий нитридінің өткізу жолағы 3,2 эВ, ал кремний карбидінің диапазоны 3,4 эВ. Бұл мәндер ұқсас болып көрінгенімен, олар кремнийдің жолақ аралығынан айтарлықтай жоғары. Кремнийдің өткізу жолағы бар болғаны 1,1 эВ, бұл галлий нитриді мен кремний карбидінен үш есе аз. Бұл қосылыстардың жоғары жолақ аралықтары галлий нитриді мен кремний карбидіне жоғары кернеу тізбектерін ыңғайлы түрде қолдауға мүмкіндік береді, бірақ олар кремний сияқты төмен кернеулі тізбектерге қолдау көрсете алмайды.

2. Бұзылу өрісінің беріктігі

Галий нитриді мен кремний карбидінің ыдырау өрістері салыстырмалы түрде ұқсас, галлий нитридінің ыдырау өрісі 3,3 МВ/см және кремний карбидінің ыдырау өрісі 3,5 МВ/см. Бұл бұзылу өрістері қосылыстарға әдеттегі кремнийге қарағанда жоғары кернеулерді айтарлықтай жақсы өңдеуге мүмкіндік береді. Кремнийдің ыдырау өрісі 0,3 МВ/см, бұл GaN және SiC жоғары кернеулерді ұстап тұруға он есе дерлік қабілетті екенін білдіреді. Олар сондай-ақ айтарлықтай кішірек құрылғыларды пайдалана отырып, төмен кернеулерді қолдай алады.

3. Жоғары электронды мобильді транзистор (HEMT)

GaN мен SiC арасындағы ең маңызды айырмашылық олардың электронды қозғалғыштығы болып табылады, бұл электрондардың жартылай өткізгіш материал арқылы қаншалықты жылдам қозғалатынын көрсетеді. Біріншіден, кремнийдің электронды қозғалғыштығы 1500 см^2/Вс. GaN электрондардың қозғалғыштығы 2000 см^2/Вс, яғни электрондар кремний электрондарынан 30% жылдамырақ қозғалады. Дегенмен, SiC электрондарының қозғалғыштығы 650 см^2/Вс, яғни SiC электрондары GaN және Si электрондарына қарағанда баяу қозғалады. Осындай жоғары электрондардың қозғалғыштығымен GaN жоғары жиілікті қолданбалар үшін үш есе дерлік қабілетті. Электрондар GaN жартылай өткізгіштері арқылы SiC қарағанда әлдеқайда жылдам қозғала алады.

4. GaN және SiC жылу өткізгіштігі

Материалдың жылу өткізгіштігі - оның жылуды өзі арқылы беру қабілеті. Жылу өткізгіштік материалдың температурасына, ол қолданылатын ортаны ескере отырып, тікелей әсер етеді. Жоғары қуатты қолданбаларда материалдың тиімсіздігі жылуды тудырады, ол материалдың температурасын арттырады және кейіннен оның электрлік қасиеттерін өзгертеді. GaN жылу өткізгіштігі 1,3 Вт/смК, бұл шын мәнінде 1,5 Вт/смК өткізгіштігі бар кремнийден нашар. Дегенмен, SiC 5 Вт/смК жылу өткізгіштікке ие, бұл оны жылу жүктемелерін беруде шамамен үш есе жақсы етеді. Бұл қасиет SiC жоғары қуатты, жоғары температуралық қолданбаларда өте тиімді етеді.

5. Жартылай өткізгішті пластинаны өндіру процесі

Ағымдағы өндіріс процестері GaN және SiC үшін шектеуші фактор болып табылады, өйткені олар кең таралған кремнийді өндіру процестеріне қарағанда қымбатырақ, дәлірек емес немесе энергияны көп қажет етеді. Мысалы, GaN шағын аумақта көптеген кристалдық ақауларды қамтиды. Ал кремнийде бір шаршы сантиметрде тек 100 ақау болуы мүмкін. Әлбетте, бұл үлкен ақау деңгейі GaN тиімсіз етеді. Өндірушілер соңғы жылдары үлкен жетістіктерге жеткенімен, GaN әлі де жартылай өткізгіштерді жобалаудың қатаң талаптарын қанағаттандыру үшін күресуде.

6. Қуат жартылай өткізгіштер нарығы

Кремниймен салыстырғанда, қазіргі өндіріс технологиясы галлий нитриді мен кремний карбидінің үнемділігін шектейді, бұл екі жоғары қуатты материалдарды қысқа мерзімде қымбатырақ етеді. Дегенмен, екі материалдың да белгілі бір жартылай өткізгіш қолданбаларында күшті артықшылықтары бар.

Кремний карбиді қысқа мерзімде тиімдірек өнім болуы мүмкін, өйткені галий нитридіне қарағанда үлкенірек және біркелкі SiC пластинкаларын жасау оңайырақ. Уақыт өте келе галлий нитриді электрондардың жоғары қозғалғыштығын ескере отырып, шағын, жоғары жиілікті өнімдерде өз орнын табады. Кремний карбиді үлкен қуат өнімдерінде қажет болады, өйткені оның қуат мүмкіндіктері галлий нитридінің жылу өткізгіштігінен жоғары.

Галий нитриді жәнеd кремний карбиді құрылғылар кремний жартылай өткізгіш (LDMOS) MOSFET және супертүйін MOSFETs бәсекелеседі. GaN және SiC құрылғылары кейбір жағынан ұқсас, бірақ айтарлықтай айырмашылықтар да бар.

Сурет 1. Жоғары кернеу, жоғары ток, коммутация жиілігі және негізгі қолдану аймақтары арасындағы байланыс.

Кең жолақты жартылай өткізгіштер

WBG қосылыс жартылай өткізгіштері жоғары электрондардың қозғалғыштығына және жоғары жолақ энергиясына ие, бұл кремнийге қарағанда жоғары қасиеттерге айналады. WBG қосылыс жартылай өткізгіштерінен жасалған транзисторлардың бұзылу кернеуі және жоғары температураға төзімділігі жоғары. Бұл құрылғылар жоғары вольтты және жоғары қуатты қолданбаларда кремнийден артықшылықтар береді.

Сурет 2. Қосарланған қос FET каскадты тізбегі GaN транзисторын қалыпты өшірулі құрылғыға түрлендіреді, бұл жоғары қуатты коммутациялық тізбектерде стандартты жақсарту режимінің жұмысын қамтамасыз етеді.

WBG транзисторлары кремнийге қарағанда жылдам ауысады және жоғары жиілікте жұмыс істей алады. Төменгі «қосулы» қарсылық олардың қуат тиімділігін арттыра отырып, аз қуат бөлетінін білдіреді. Сипаттамалардың бұл бірегей тіркесімі бұл құрылғыларды автомобильдік қолданбалардағы, әсіресе гибридті және электрлік көліктердегі ең талап етілетін тізбектер үшін тартымды етеді.

GaN және SiC транзисторлары автомобиль электр жабдықтарындағы қиындықтарды шешуге арналған

GaN және SiC құрылғыларының негізгі артықшылықтары: 650 В, 900 В және 1200 В құрылғыларымен жоғары кернеу мүмкіндігі,

Кремний карбиді:

Жоғары 1700В.3300В және 6500В.

Жылдам ауысу жылдамдығы,

Жоғары жұмыс температурасы.

Төмен қарсылық, минималды қуат шығыны және жоғары энергия тиімділігі.

GaN құрылғылары

Қолданбаларды ауыстырғанда, әдетте «өшірулі» болатын жақсарту режимі (немесе E-режимі) құрылғыларына артықшылық беріледі, бұл E-режимі GaN құрылғыларының дамуына әкелді. Алдымен екі FET құрылғысының каскады пайда болды (2-сурет). Енді стандартты электрондық режимдегі GaN құрылғылары қол жетімді. Олар 10 МГц жиілікте және ондаған киловаттқа дейінгі қуат деңгейлерінде ауыса алады.

GaN құрылғылары сымсыз жабдықта 100 ГГц-ке дейінгі жиіліктерде қуат күшейткіштері ретінде кеңінен қолданылады. Негізгі пайдалану жағдайларының кейбірі ұялы базалық станцияның қуат күшейткіштері, әскери радарлар, спутниктік таратқыштар және жалпы РЖ күшейту болып табылады. Дегенмен, жоғары кернеуге (1000 В дейін), жоғары температураға және жылдам коммутацияға байланысты олар тұрақты ток түрлендіргіштері, инверторлар және аккумуляторларды зарядтау құрылғылары сияқты әртүрлі коммутациялық қуат қолданбаларына енгізілген.

SiC құрылғылары

SiC транзисторлары табиғи E-режимі MOSFET болып табылады. Бұл құрылғылар 1 МГц-ке дейінгі жиілікте және кремний MOSFET-терінен әлдеқайда жоғары кернеу мен ток деңгейлерінде ауыса алады. Ағызу көзінің максималды кернеуі шамамен 1800 В дейін, ал ток мүмкіндігі 100 ампер. Сонымен қатар, SiC құрылғылары кремний MOSFET-терге қарағанда әлдеқайда төмен қарсылыққа ие, бұл барлық коммутациялық қуат көзінің қосымшаларында (SMPS конструкциялары) жоғары тиімділікке әкеледі.

SiC құрылғылары төмен кедергісі бар құрылғыны қосу үшін 18-ден 20 вольтке дейінгі қақпа кернеуі жетегі қажет. Стандартты Si MOSFET толық қосу үшін қақпада 10 вольттан аз қажет. Сонымен қатар, SiC құрылғылары өшірулі күйге ауысу үшін -3-тен -5 В-қа дейінгі қақпалы дискіні қажет етеді. SiC MOSFET-тің жоғары вольтты, жоғары ток мүмкіндіктері оларды автомобиль қуат тізбектері үшін өте қолайлы етеді.

Көптеген қолданбаларда IGBTs SiC құрылғыларымен ауыстырылады. SiC құрылғылары жоғары жиілікте ауыса алады, индукторлардың немесе трансформаторлардың өлшемі мен құнын төмендетеді, сонымен бірге тиімділікті арттырады. Сонымен қатар, SiC GaN қарағанда жоғары токтарды өңдей алады.

GaN және SiC құрылғылары, әсіресе кремний LDMOS MOSFETs, супертүйін MOSFET және IGBT арасында бәсекелестік бар. Көптеген қолданбаларда олар GaN және SiC транзисторларымен ауыстырылады.

GaN және SiC салыстыруын қорытындылау үшін мына жерде маңызды сәттерді қараңыз:

GaN Сиге қарағанда жылдам ауысады.

SiC GaN қарағанда жоғары кернеулерде жұмыс істейді.

SiC қақпа жетектерінің жоғары кернеулерін қажет етеді.

Көптеген қуат тізбектері мен құрылғыларды GaN және SiC көмегімен жобалау арқылы жақсартуға болады. Ең үлкен бенефициарлардың бірі - автомобиль электр жүйесі. Заманауи гибридті және электрлі көліктерде осы құрылғыларды пайдалана алатын құрылғылар бар. Кейбір танымал қолданбаларға OBCs, DC-DC түрлендіргіштері, мотор жетектері және LiDAR жатады. 3-суретте жоғары қуатты коммутациялық транзисторларды қажет ететін электр көліктеріндегі негізгі ішкі жүйелер көрсетілген.

Сурет 3.  Гибридті және электрлі көліктерге арналған WBG борттық зарядтағыш (OBC). Айнымалы ток кірісі түзетілді, қуат коэффициенті түзетілді (PFC), содан кейін тұрақты ток түрлендіріледі

Тұрақты ток түрлендіргіші. Бұл басқа электр құрылғыларын іске қосу үшін батареяның жоғары кернеуін төменгі кернеуге түрлендіретін қуат тізбегі. Бүгінгі аккумулятордың кернеуі 600 В немесе 900 В дейін жетеді. Тұрақты ток түрлендіргіші басқа электрондық компоненттердің жұмысы үшін оны 48 В немесе 12 В немесе екеуіне де төмендетеді (3-сурет). Гибридті электрлік және электрлік көліктерде (HEVEVs) DC-DC аккумулятор жинағы мен түрлендіргіш арасындағы жоғары вольтты шина үшін де пайдаланылуы мүмкін.

Борттық зарядтағыштар (ОБС). Қосылатын HEVEV және EV құрылғыларында айнымалы ток көзіне қосылуға болатын ішкі аккумулятор зарядтау құрылғысы бар. Бұл сыртқы айнымалы ток – тұрақты ток зарядтағышын қажет етпей-ақ үйде зарядтауға мүмкіндік береді (4-сурет).

Негізгі жетек қозғалтқышының драйвері. Негізгі жетек қозғалтқышы көліктің дөңгелектерін басқаратын жоғары өнімді айнымалы ток қозғалтқышы болып табылады. Драйвер - қозғалтқышты айналдыру үшін батарея кернеуін үш фазалы айнымалы токқа түрлендіретін инвертор.

Сурет 4. Әдеттегі DC-DC түрлендіргіші жоғары батарея кернеулерін 12 В және/немесе 48 В-қа түрлендіру үшін пайдаланылады. Жоғары вольтты көпірлерде қолданылатын IGBTs SiC MOSFETs ауыстырылады.

GaN және SiC транзисторлары автомобиль электр конструкторларына икемділік пен қарапайым дизайнды, сондай-ақ олардың жоғары кернеуі, жоғары ток және жылдам ауысу сипаттамаларының арқасында жоғары өнімділікті ұсынады.

VeTek Semiconductor - бұл қытайлық кәсіпқой өндірушіТантал карбиді жабыны, Кремний карбиді жабыны, GaN өнімдері, Арнайы графит, Кремний карбиді керамикажәнеБасқа жартылай өткізгіш керамика. VeTek Semiconductor компаниясы жартылай өткізгіштер өнеркәсібіне арналған әртүрлі жабын өнімдері үшін озық шешімдерді ұсынуға ұмтылады.

Егер сізде қандай да бір сұрақтар болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электрондық пошта: anny@veteksemi.com