Qual è la differenza tra le applicazioni del carburo di silicio (SiC) e del nitruro di gallio (GaN)? - Semiconduttore VeTek

SiCEGaNsono indicati come "semiconduttori a banda larga" (WBG). Grazie al processo produttivo utilizzato, i dispositivi WBG presentano i seguenti vantaggi:

1. Semiconduttori ad ampio gap di banda

Nitruro di gallio (GaN)Ecarburo di silicio (SiC)sono relativamente simili in termini di bandgap e campo di breakdown. La banda proibita del nitruro di gallio è 3,2 eV, mentre la banda proibita del carburo di silicio è 3,4 eV. Sebbene questi valori sembrino simili, sono significativamente più alti del bandgap del silicio. La banda proibita del silicio è di soli 1,1 eV, ovvero tre volte inferiore a quella del nitruro di gallio e del carburo di silicio. Le bande proibite più elevate di questi composti consentono al nitruro di gallio e al carburo di silicio di supportare comodamente circuiti a tensione più elevata, ma non possono supportare circuiti a bassa tensione come il silicio.

2. Intensità del campo di ripartizione

I campi di rottura del nitruro di gallio e del carburo di silicio sono relativamente simili, con il nitruro di gallio avente un campo di rottura di 3,3 MV/cm e il carburo di silicio avente un campo di rottura di 3,5 MV/cm. Questi campi di rottura consentono ai composti di gestire tensioni più elevate in modo significativamente migliore rispetto al normale silicio. Il silicio ha un campo di rottura di 0,3 MV/cm, il che significa che GaN e SiC sono quasi dieci volte più capaci di sostenere tensioni più elevate. Sono anche in grado di supportare tensioni più basse utilizzando dispositivi significativamente più piccoli.

3. Transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT)

La differenza più significativa tra GaN e SiC è la mobilità degli elettroni, che indica la velocità con cui gli elettroni si muovono attraverso il materiale semiconduttore. Innanzitutto, il silicio ha una mobilità elettronica di 1500 cm^2/Vs. Il GaN ha una mobilità elettronica di 2000 cm^2/Vs, il che significa che gli elettroni si muovono più del 30% più velocemente degli elettroni del silicio. Tuttavia, il SiC ha una mobilità elettronica di 650 cm^2/Vs, il che significa che gli elettroni del SiC si muovono più lentamente degli elettroni del GaN e del Si. Con una mobilità elettronica così elevata, il GaN è quasi tre volte più adatto alle applicazioni ad alta frequenza. Gli elettroni possono muoversi attraverso i semiconduttori GaN molto più velocemente del SiC.

4. Conducibilità termica di GaN e SiC

La conduttività termica di un materiale è la sua capacità di trasferire calore attraverso se stesso. La conducibilità termica influisce direttamente sulla temperatura di un materiale, dato l'ambiente in cui viene utilizzato. Nelle applicazioni ad alta potenza, l'inefficienza del materiale genera calore, che aumenta la temperatura del materiale e successivamente ne modifica le proprietà elettriche. Il GaN ha una conduttività termica di 1,3 W/cmK, che in realtà è peggiore di quella del silicio, che ha una conduttività di 1,5 W/cmK. Tuttavia, il SiC ha una conduttività termica di 5 W/cmK, che lo rende quasi tre volte migliore nel trasferire i carichi termici. Questa proprietà rende il SiC estremamente vantaggioso nelle applicazioni ad alta potenza e ad alta temperatura.

5. Processo di produzione di wafer semiconduttori

Gli attuali processi di produzione rappresentano un fattore limitante per GaN e SiC perché sono più costosi, meno precisi e consumano più energia rispetto ai processi di produzione del silicio ampiamente adottati. Ad esempio, il GaN contiene un gran numero di difetti cristallini su una piccola area. Il silicio, invece, può contenere solo 100 difetti per centimetro quadrato. Ovviamente, questo enorme tasso di difetti rende il GaN inefficiente. Sebbene i produttori abbiano fatto grandi passi avanti negli ultimi anni, il GaN fatica ancora a soddisfare i severi requisiti di progettazione dei semiconduttori.

6. Mercato dei semiconduttori di potenza

Rispetto al silicio, l’attuale tecnologia di produzione limita il rapporto costo-efficacia del nitruro di gallio e del carburo di silicio, rendendo entrambi i materiali ad alta potenza più costosi nel breve termine. Tuttavia, entrambi i materiali presentano notevoli vantaggi in specifiche applicazioni dei semiconduttori.

Il carburo di silicio può essere un prodotto più efficace a breve termine perché è più facile produrre wafer SiC più grandi e più uniformi rispetto al nitruro di gallio. Nel corso del tempo, il nitruro di gallio troverà il suo posto in prodotti piccoli e ad alta frequenza data la sua maggiore mobilità degli elettroni. Il carburo di silicio sarà più desiderabile nei prodotti energetici più grandi perché le sue capacità energetiche sono superiori alla conduttività termica del nitruro di gallio.

Nitruro di gallio ed I dispositivi in ​​carburo di silicio competono con i MOSFET a semiconduttore di silicio (LDMOS) e con i MOSFET a supergiunzione. I dispositivi GaN e SiC sono simili sotto certi aspetti, ma presentano anche differenze significative.

Figura 1. Relazione tra alta tensione, alta corrente, frequenza di commutazione e principali aree di applicazione.

Semiconduttori ad ampio gap di banda

I semiconduttori composti WBG hanno una maggiore mobilità degli elettroni e un'energia bandgap più elevata, che si traduce in proprietà superiori rispetto al silicio. I transistor realizzati con semiconduttori composti WBG hanno tensioni di rottura più elevate e tolleranza alle alte temperature. Questi dispositivi offrono vantaggi rispetto al silicio nelle applicazioni ad alta tensione e alta potenza.

Figura 2. Un circuito in cascata a doppio die e doppio FET converte un transistor GaN in un dispositivo normalmente spento, consentendo il funzionamento in modalità di miglioramento standard nei circuiti di commutazione ad alta potenza

I transistor WBG inoltre commutano più velocemente del silicio e possono funzionare a frequenze più elevate. Una resistenza "on" inferiore significa che dissipano meno potenza, migliorando l'efficienza energetica. Questa combinazione unica di caratteristiche rende questi dispositivi attraenti per alcuni dei circuiti più esigenti nelle applicazioni automobilistiche, in particolare per i veicoli ibridi ed elettrici.

Transistor GaN e SiC per affrontare le sfide delle apparecchiature elettriche automobilistiche

Principali vantaggi dei dispositivi GaN e SiC: capacità di alta tensione, con dispositivi da 650 V, 900 V e 1200 V,

Carburo di silicio:

Superiore 1700V.3300V e 6500V.

Velocità di commutazione più elevate,

Temperature di esercizio più elevate.

Resistenza inferiore, dissipazione di potenza minima e maggiore efficienza energetica.

Dispositivi GaN

Nelle applicazioni di commutazione, vengono preferiti i dispositivi in ​​modalità potenziamento (o modalità E), che di solito sono "spenti", il che ha portato allo sviluppo di dispositivi GaN in modalità E. Per prima cosa è arrivata la cascata di due dispositivi FET (Figura 2). Ora sono disponibili dispositivi GaN in modalità elettronica standard. Possono commutare a frequenze fino a 10 MHz e livelli di potenza fino a decine di kilowatt.

I dispositivi GaN sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature wireless come amplificatori di potenza a frequenze fino a 100 GHz. Alcuni dei principali casi d'uso sono amplificatori di potenza per stazioni base cellulari, radar militari, trasmettitori satellitari e amplificazione RF generale. Tuttavia, a causa dell'alta tensione (fino a 1.000 V), dell'alta temperatura e della commutazione rapida, vengono incorporati anche in varie applicazioni di alimentazione a commutazione come convertitori CC-CC, inverter e caricabatterie.

SiC Devices

I transistor SiC sono MOSFET in modalità E naturali. Questi dispositivi possono commutare a frequenze fino a 1 MHz e a livelli di tensione e corrente molto più elevati rispetto ai MOSFET al silicio. La tensione massima drain-source arriva fino a circa 1.800 V e la capacità di corrente è di 100 A. Inoltre, i dispositivi SiC hanno una resistenza nello stato di conduzione molto inferiore rispetto ai MOSFET al silicio, con conseguente maggiore efficienza in tutte le applicazioni di alimentazione a commutazione (progettazioni SMPS).

I dispositivi SiC richiedono una tensione di gate compresa tra 18 e 20 volt per accendere il dispositivo con una bassa resistenza. I MOSFET Si standard richiedono meno di 10 volt al gate per accendersi completamente. Inoltre, i dispositivi SiC richiedono un gate drive da -3 a -5 V per passare allo stato spento. Le capacità di alta tensione e corrente elevata dei MOSFET SiC li rendono ideali per i circuiti di alimentazione automobilistici.

In molte applicazioni, gli IGBT vengono sostituiti da dispositivi SiC. I dispositivi SiC possono commutare a frequenze più elevate, riducendo le dimensioni e il costo di induttori o trasformatori e migliorando al tempo stesso l'efficienza. Inoltre, il SiC può gestire correnti più elevate rispetto al GaN.

Esiste concorrenza tra i dispositivi GaN e SiC, in particolare i MOSFET LDMOS al silicio, i MOSFET a supergiunzione e gli IGBT. In molte applicazioni vengono sostituiti dai transistor GaN e SiC.

Per riassumere il confronto tra GaN e SiC, ecco i punti salienti:

Il GaN cambia più velocemente del Si.

Il SiC funziona a tensioni più elevate rispetto al GaN.

Il SiC richiede tensioni di comando del gate elevate.

Molti circuiti e dispositivi di potenza possono essere migliorati progettando con GaN e SiC. Uno dei maggiori beneficiari è l’impianto elettrico automobilistico. I moderni veicoli ibridi ed elettrici contengono dispositivi che possono utilizzare questi dispositivi. Alcune delle applicazioni più diffuse sono OBC, convertitori DC-DC, azionamenti di motori e LiDAR. La Figura 3 evidenzia i principali sottosistemi nei veicoli elettrici che richiedono transistor di commutazione ad alta potenza.

Figura 3.  Caricatore di bordo (OBC) WBG per veicoli ibridi ed elettrici. L'ingresso CA viene raddrizzato, corretto il fattore di potenza (PFC) e quindi convertito CC-CC

Convertitore CC-CC. Questo è un circuito di alimentazione che converte l'alta tensione della batteria in una tensione inferiore per far funzionare altri dispositivi elettrici. La tensione della batteria odierna varia fino a 600 V o 900 V. Il convertitore CC-CC lo riduce a 48 V o 12 V, o entrambi, per il funzionamento di altri componenti elettronici (Figura 3). Nei veicoli ibridi elettrici ed elettrici (HEVEV), la DC-DC può essere utilizzata anche per il bus ad alta tensione tra il pacco batteria e l'inverter.

Caricabatterie di bordo (OBC). Gli HEVEV e gli EV plug-in contengono un caricabatteria interno che può essere collegato a una rete elettrica CA. Ciò consente la ricarica a casa senza la necessità di un caricabatterie CA-CC esterno (Figura 4).

Driver del motore di azionamento principale. Il motore di azionamento principale è un motore CA ad alto rendimento che aziona le ruote del veicolo. Il driver è un inverter che converte la tensione della batteria in CA trifase per far girare il motore.

Figura 4. Un tipico convertitore CC-CC viene utilizzato per convertire le tensioni elevate della batteria a 12 V e/o 48 V. Gli IGBT utilizzati nei ponti ad alta tensione vengono sostituiti dai MOSFET SiC.

I transistor GaN e SiC offrono ai progettisti elettrici automobilistici flessibilità e design più semplici, nonché prestazioni superiori grazie alle loro caratteristiche di alta tensione, corrente elevata e commutazione rapida.

VeTek Semiconductor è un produttore cinese professionale diRivestimento in carburo di tantalio, Rivestimento in carburo di silicio, prodotti GaN, Grafite speciale, Ceramica al carburo di silicioEAltre ceramiche a semiconduttore. VeTek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti di rivestimento per l'industria dei semiconduttori.

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