Apa perbedaan antara aplikasi silikon karbida (sic) dan gallium nitride (GAN)? - Vetek Semiconductor

SiCDanGaNdisebut sebagai "semikonduktor celah pita lebar" (WBG). Karena proses produksi yang digunakan, perangkat WBG menunjukkan keunggulan sebagai berikut:

1. Semikonduktor Celah Pita Lebar

Gallium Nitride (GAN)Dansilikon karbida (SiC)relatif serupa dalam hal bidang pita dan kerusakan. Pita pita nitrida adalah 3,2 eV, sedangkan celah pita silikon karbida adalah 3,4 eV. Meskipun nilai -nilai ini tampak serupa, mereka secara signifikan lebih tinggi dari celah pita silikon. Pita silikon hanya 1,1 eV, yang tiga kali lebih kecil dari gallium nitrida dan silikon karbida. Pita yang lebih tinggi dari senyawa ini memungkinkan gallium nitrida dan silikon karbida untuk dengan nyaman mendukung sirkuit tegangan yang lebih tinggi, tetapi mereka tidak dapat mendukung sirkuit tegangan rendah seperti silikon.

2. Kekuatan Breakdown Field

Bidang pemecahan galium nitrida dan silikon karbida relatif sama, dengan galium nitrida memiliki bidang pemecahan 3,3 MV/cm dan silikon karbida memiliki bidang pemecahan 3,5 MV/cm. Bidang kerusakan ini memungkinkan senyawa untuk menangani tegangan lebih tinggi secara signifikan lebih baik daripada silikon biasa. Silikon memiliki medan tembus sebesar 0,3 MV/cm, yang berarti GaN dan SiC hampir sepuluh kali lebih mampu menahan tegangan lebih tinggi. Mereka juga mampu mendukung tegangan rendah menggunakan perangkat yang jauh lebih kecil.

3. Transistor Mobilitas Elektron Tinggi (HEMT)

Perbedaan paling signifikan antara GAN dan SIC adalah mobilitas elektron mereka, yang menunjukkan seberapa cepat elektron bergerak melalui bahan semikonduktor. Pertama, silikon memiliki mobilitas elektron 1500 cm^2/vs. Gan memiliki mobilitas elektron 2000 cm^2/vs, yang berarti elektron bergerak lebih dari 30% lebih cepat daripada elektron silikon. Namun, SIC memiliki mobilitas elektron 650 cm^2/vs, yang berarti bahwa elektron SIC bergerak lebih lambat dari elektron Gan dan SI. Dengan mobilitas elektron yang tinggi, GAN hampir tiga kali lebih mampu untuk aplikasi frekuensi tinggi. Elektron dapat bergerak melalui semikonduktor GAN jauh lebih cepat daripada SIC.

4. Konduktivitas Termal Gan dan SiC

Konduktivitas termal suatu bahan adalah kemampuannya untuk mentransfer panas melalui dirinya sendiri. Konduktivitas termal secara langsung mempengaruhi suhu suatu bahan, mengingat lingkungan tempat ia digunakan. Dalam aplikasi daya tinggi, inefisiensi material menghasilkan panas, yang meningkatkan suhu material dan kemudian mengubah sifat listriknya. GAN memiliki konduktivitas termal 1,3 W/cMK, yang sebenarnya lebih buruk daripada silikon, yang memiliki konduktivitas 1,5 W/cMK. Namun, SIC memiliki konduktivitas termal 5 W/cMK, membuatnya hampir tiga kali lebih baik dalam mentransfer beban panas. Properti ini membuat SiC sangat menguntungkan dalam aplikasi berdaya tinggi dan suhu tinggi.

5. Proses manufaktur wafer semikonduktor

Proses manufaktur saat ini adalah faktor pembatas untuk GAN dan SIC karena lebih mahal, kurang tepat, atau lebih intensif energi daripada proses pembuatan silikon yang diadopsi secara luas. Misalnya, GAN berisi sejumlah besar cacat kristal di atas area kecil. Silikon, di sisi lain, hanya dapat mengandung 100 cacat per sentimeter persegi. Jelas, tingkat cacat yang sangat besar ini membuat Gan tidak efisien. Sementara produsen telah membuat langkah besar dalam beberapa tahun terakhir, GAN masih berjuang untuk memenuhi persyaratan desain semikonduktor yang ketat.

6. Pasar Semikonduktor Daya

Dibandingkan dengan silikon, teknologi manufaktur saat ini membatasi efektivitas biaya gallium nitrida dan silikon karbida, membuat kedua bahan berdaya tinggi lebih mahal dalam jangka pendek. Namun, kedua bahan memiliki keunggulan yang kuat dalam aplikasi semikonduktor tertentu.

Silikon karbida mungkin merupakan produk yang lebih efektif dalam jangka pendek karena lebih mudah untuk memproduksi wafer SiC yang lebih besar dan lebih seragam daripada gallium nitrida. Seiring waktu, Gallium nitride akan menemukan tempatnya dalam produk kecil dan frekuensi tinggi mengingat mobilitas elektron yang lebih tinggi. Silicon carbide akan lebih diinginkan dalam produk daya yang lebih besar karena kemampuan daya lebih tinggi dari konduktivitas termal Gallium Nitride.

Galium nitrida anperangkat silikon karbida silikon bersaing dengan mosfet semikonduktor silikon (ldmos) dan superjunction mosfet. Perangkat GAN dan SIC serupa dalam beberapa hal, tetapi ada juga perbedaan yang signifikan.

Gambar 1. Hubungan antara tegangan tinggi, arus tinggi, frekuensi switching, dan area aplikasi utama.

Semikonduktor pita lebar

Semikonduktor senyawa WBG memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi dan energi celah pita yang lebih tinggi, yang berarti sifat yang lebih unggul dibandingkan silikon. Transistor yang terbuat dari semikonduktor senyawa WBG memiliki tegangan rusaknya lebih tinggi dan toleransi terhadap suhu tinggi. Perangkat ini menawarkan keunggulan dibandingkan silikon dalam aplikasi tegangan tinggi dan daya tinggi.

Gambar 2. Sirkuit kaskade ganda ganda-fet dikonversi transistor GaN menjadi perangkat yang biasa-biasa saja, memungkinkan operasi mode peningkatan standar di sirkuit switching daya tinggi

Transistor WBG juga beralih lebih cepat daripada silikon dan dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Resistensi “hidup” yang lebih rendah berarti daya yang dihamburkan lebih sedikit, sehingga meningkatkan efisiensi energi. Kombinasi karakteristik unik ini menjadikan perangkat ini menarik untuk beberapa sirkuit yang paling menuntut dalam aplikasi otomotif, khususnya kendaraan hibrida dan listrik.

Transistor gan dan sic untuk memenuhi tantangan dalam peralatan listrik otomotif

Manfaat utama perangkat GaN dan SiC: Kemampuan tegangan tinggi, dengan perangkat 650 V, 900 V, dan 1200 V,

Silikon karbida:

Lebih tinggi 1700V.3300V dan 6500V.

Kecepatan switching yang lebih cepat,

Temperatur pengoperasian yang lebih tinggi.

Lebih rendah pada resistensi, disipasi daya minimal, dan efisiensi energi yang lebih tinggi.

Perangkat GaN

Dalam peralihan aplikasi, perangkat mode peningkatan (atau mode E), yang biasanya “mati”, lebih disukai, yang mengarah pada pengembangan perangkat E-mode GaN. Yang pertama adalah rangkaian dua perangkat FET (Gambar 2). Sekarang, perangkat e-mode GaN standar telah tersedia. Mereka dapat beralih pada frekuensi hingga 10 MHz dan tingkat daya hingga puluhan kilowatt.

Perangkat GAN banyak digunakan dalam peralatan nirkabel sebagai penguat daya pada frekuensi hingga 100 GHz. Beberapa kasus penggunaan utama adalah amplifier daya stasiun pangkalan seluler, radar militer, pemancar satelit, dan amplifikasi RF umum. Namun, karena tegangan tinggi (hingga 1.000 V), suhu tinggi, dan switching cepat, mereka juga dimasukkan ke dalam berbagai aplikasi daya switching seperti konverter DC-DC, inverter, dan pengisi daya baterai.

Perangkat sic

Transistor SiC adalah MOSFET mode-E alami. Perangkat ini dapat beralih pada frekuensi hingga 1 MHz dan pada tingkat tegangan dan arus yang jauh lebih tinggi daripada MOSFET silikon. Tegangan sumber pembuangan maksimum mencapai sekitar 1.800 V, dan kemampuan arus adalah 100 amp. Selain itu, perangkat SiC memiliki resistansi yang jauh lebih rendah dibandingkan MOSFET silikon, sehingga menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi di semua aplikasi catu daya switching (desain SMPS).

Perangkat SiC memerlukan penggerak tegangan gerbang 18 hingga 20 volt untuk menghidupkan perangkat dengan resistansi rendah. MOSFET Si standar memerlukan kurang dari 10 volt di gerbang untuk menyala sepenuhnya. Selain itu, perangkat SiC memerlukan penggerak gerbang -3 hingga -5 V untuk beralih ke keadaan mati. Kemampuan MOSFET SiC bertegangan tinggi dan arus tinggi menjadikannya ideal untuk sirkuit daya otomotif.

Dalam banyak aplikasi, IGBT digantikan oleh perangkat SIC. Perangkat SIC dapat beralih pada frekuensi yang lebih tinggi, mengurangi ukuran dan biaya induktor atau transformator sambil meningkatkan efisiensi. Selain itu, SIC dapat menangani arus yang lebih tinggi daripada GAN.

Ada persaingan antara perangkat GAN dan SIC, terutama Silikon LDMOS MOSFET, superjunction MOSFET, dan IGBT. Dalam banyak aplikasi, mereka digantikan oleh transistor GAN dan SIC.

Untuk meringkas perbandingan GaN vs. SiC, berikut adalah hal-hal penting:

Gan beralih lebih cepat dari Si.

SiC beroperasi pada tegangan lebih tinggi dari GaN.

SiC membutuhkan tegangan penggerak gerbang yang tinggi.

Banyak rangkaian daya dan perangkat dapat ditingkatkan dengan mendesain menggunakan GaN dan SiC. Salah satu penerima manfaat terbesar adalah sistem kelistrikan otomotif. Kendaraan hibrida dan listrik modern memiliki perangkat yang dapat menggunakan perangkat tersebut. Beberapa aplikasi yang populer adalah OBC, konverter DC-DC, penggerak motor, dan LiDAR. Gambar 3 menunjukkan subsistem utama pada kendaraan listrik yang memerlukan transistor switching daya tinggi.

Gambar 3.  Pengisi daya terpasang (OBC) WBG untuk kendaraan hibrida dan listrik. Input AC diperbaiki, faktor daya dikoreksi (PFC), dan kemudian DC-DC diubah

Konverter DC-DC. Ini adalah sirkuit daya yang mengubah tegangan baterai tinggi menjadi tegangan yang lebih rendah untuk menjalankan perangkat listrik lainnya. Tegangan baterai saat ini berkisar hingga 600V atau 900V. Konverter DC-DC menurunkannya ke 48V atau 12V, atau keduanya, untuk pengoperasian komponen elektronik lainnya (Gambar 3). Pada kendaraan listrik dan listrik hibrida (HEVEVS), DC-DC juga dapat digunakan untuk bus tegangan tinggi antara paket baterai dan inverter.

Pengisi daya terpasang (OBC). HEVEV dan EV plug-in berisi pengisi daya baterai internal yang dapat dihubungkan ke sumber listrik AC. Hal ini memungkinkan pengisian daya di rumah tanpa memerlukan pengisi daya AC−DC eksternal (Gambar 4).

Penggerak motor penggerak utama. Motor penggerak utama adalah motor AC output tinggi yang menggerakkan roda kendaraan. Pengemudi adalah inverter yang mengubah tegangan baterai menjadi AC tiga fase untuk memutar motor.

Gambar 4. Konverter DC-DC biasa digunakan untuk mengubah tegangan baterai tinggi menjadi 12 V dan/atau 48 V. IGBT yang digunakan pada jembatan tegangan tinggi digantikan oleh MOSFET SiC.

Transistor GaN dan SiC menawarkan fleksibilitas dan desain yang lebih sederhana kepada perancang kelistrikan otomotif serta kinerja yang unggul karena karakteristik peralihannya yang cepat, tegangan tinggi, dan arus tinggi.

Vetek Semiconductor adalah produsen Cina profesionalLapisan Tantalum Carbide, Lapisan silikon karbida, Produk Gan, Grafit khusus, Keramik Silikon KarbidaDanKeramik Semikonduktor Lainnya. Vetek Semiconductor berkomitmen untuk memberikan solusi canggih untuk berbagai produk pelapisan untuk industri semikonduktor.

Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Mob/whatsapp: +86-180 6922 0752

Surel: anny@veteksemi.com