Qual é a diferença entre aplicações de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN)? - Semicondutor VeTek

SiCeGaNsão chamados de "semicondutores de banda larga" (WBG). Devido ao processo de produção utilizado, os dispositivos WBG apresentam as seguintes vantagens:

1. Semicondutores de banda larga

Nitreto de gálio (GaN)ecarboneto de silício (SiC)são relativamente semelhantes em termos de bandgap e campo de ruptura. O bandgap do nitreto de gálio é de 3,2 eV, enquanto o bandgap do carboneto de silício é de 3,4 eV. Embora esses valores pareçam semelhantes, eles são significativamente maiores que o bandgap do silício. O bandgap do silício é de apenas 1,1 eV, que é três vezes menor que o do nitreto de gálio e do carboneto de silício. As bandas mais altas desses compostos permitem que o nitreto de gálio e o carboneto de silício suportem confortavelmente circuitos de alta tensão, mas não podem suportar circuitos de baixa tensão como o silício.

2. Repartição da Força do Campo

Os campos de ruptura do nitreto de gálio e do carboneto de silício são relativamente semelhantes, com o nitreto de gálio tendo um campo de ruptura de 3,3 MV/cm e o carboneto de silício tendo um campo de ruptura de 3,5 MV/cm. Esses campos de ruptura permitem que os compostos lidem com tensões mais altas significativamente melhor do que o silício normal. O silício tem um campo de ruptura de 0,3 MV/cm, o que significa que GaN e SiC são quase dez vezes mais capazes de sustentar tensões mais altas. Eles também são capazes de suportar tensões mais baixas usando dispositivos significativamente menores.

3. Transistor de alta mobilidade eletrônica (HEMT)

A diferença mais significativa entre GaN e SiC é a mobilidade dos elétrons, que indica a rapidez com que os elétrons se movem através do material semicondutor. Primeiro, o silício tem uma mobilidade eletrônica de 1500 cm^2/Vs. O GaN tem uma mobilidade eletrônica de 2.000 cm^2/Vs, o que significa que os elétrons se movem mais de 30% mais rápido que os elétrons do silício. No entanto, o SiC tem uma mobilidade eletrônica de 650 cm^2/Vs, o que significa que os elétrons do SiC se movem mais lentamente que os elétrons do GaN e do Si. Com uma mobilidade eletrônica tão alta, o GaN é quase três vezes mais capaz para aplicações de alta frequência. Os elétrons podem se mover através dos semicondutores GaN muito mais rápido que o SiC.

4. Condutividade Térmica de GaN e SiC

A condutividade térmica de um material é a sua capacidade de transferir calor através de si mesmo. A condutividade térmica afeta diretamente a temperatura de um material, dado o ambiente em que é utilizado. Em aplicações de alta potência, a ineficiência do material gera calor, o que aumenta a temperatura do material e posteriormente altera suas propriedades elétricas. O GaN tem uma condutividade térmica de 1,3 W/cmK, que na verdade é pior que a do silício, que tem uma condutividade de 1,5 W/cmK. No entanto, o SiC tem uma condutividade térmica de 5 W/cmK, o que o torna quase três vezes melhor na transferência de cargas de calor. Esta propriedade torna o SiC altamente vantajoso em aplicações de alta potência e alta temperatura.

5. Processo de fabricação de wafer semicondutor

Os processos de fabricação atuais são um fator limitante para GaN e SiC porque são mais caros, menos precisos ou mais intensivos em energia do que os processos de fabricação de silício amplamente adotados. Por exemplo, GaN contém um grande número de defeitos cristalinos em uma pequena área. O silício, por outro lado, só pode conter 100 defeitos por centímetro quadrado. Obviamente, essa enorme taxa de defeitos torna o GaN ineficiente. Embora os fabricantes tenham feito grandes progressos nos últimos anos, o GaN ainda luta para atender aos rigorosos requisitos de design de semicondutores.

6. Mercado de semicondutores de potência

Em comparação com o silício, a tecnologia de fabricação atual limita a relação custo-benefício do nitreto de gálio e do carboneto de silício, tornando ambos os materiais de alta potência mais caros no curto prazo. No entanto, ambos os materiais apresentam grandes vantagens em aplicações específicas de semicondutores.

O carboneto de silício pode ser um produto mais eficaz no curto prazo porque é mais fácil fabricar pastilhas de SiC maiores e mais uniformes do que o nitreto de gálio. Com o tempo, o nitreto de gálio encontrará o seu lugar em produtos pequenos e de alta frequência, dada a sua maior mobilidade electrónica. O carboneto de silício será mais desejável em produtos de maior potência porque suas capacidades de potência são superiores à condutividade térmica do nitreto de gálio.

Nitreto de gálio ed dispositivos de carboneto de silício competem com MOSFETs de semicondutores de silício (LDMOS) e MOSFETs de superjunção. Os dispositivos GaN e SiC são semelhantes em alguns aspectos, mas também existem diferenças significativas.

Figura 1. A relação entre alta tensão, alta corrente, frequência de comutação e principais áreas de aplicação.

Semicondutores de banda larga

Os semicondutores compostos WBG têm maior mobilidade de elétrons e maior energia de bandgap, o que se traduz em propriedades superiores em relação ao silício. Transistores feitos de semicondutores compostos WBG têm tensões de ruptura mais altas e tolerância a altas temperaturas. Esses dispositivos oferecem vantagens sobre o silício em aplicações de alta tensão e alta potência.

Figura 2. Um circuito em cascata dual-FET converte um transistor GaN em um dispositivo normalmente desligado, permitindo operação em modo de aprimoramento padrão em circuitos de comutação de alta potência

Os transistores WBG também comutam mais rápido que o silício e podem operar em frequências mais altas. A menor resistência “ligada” significa que eles dissipam menos energia, melhorando a eficiência energética. Esta combinação única de características torna estes dispositivos atraentes para alguns dos circuitos mais exigentes em aplicações automotivas, particularmente veículos híbridos e elétricos.

Transistores GaN e SiC para enfrentar desafios em equipamentos elétricos automotivos

Principais benefícios dos dispositivos GaN e SiC: Capacidade de alta tensão, com dispositivos de 650 V, 900 V e 1200 V,

Carboneto de silício:

Maior 1700V.3300V e 6500V.

Velocidades de comutação mais rápidas,

Temperaturas operacionais mais altas.

Lower on resistance, minimal power dissipation, and higher energy efficiency.

Dispositivos GaN

Em aplicações de comutação, são preferidos dispositivos de modo de aprimoramento (ou modo E), que geralmente estão “desligados”, o que levou ao desenvolvimento de dispositivos GaN de modo E. Primeiro veio a cascata de dois dispositivos FET (Figura 2). Agora, dispositivos GaN de modo eletrônico padrão estão disponíveis. Eles podem alternar em frequências de até 10 MHz e níveis de potência de até dezenas de quilowatts.

Dispositivos GaN são amplamente utilizados em equipamentos sem fio como amplificadores de potência em frequências de até 100 GHz. Alguns dos principais casos de uso são amplificadores de potência de estações base celulares, radares militares, transmissores de satélite e amplificação geral de RF. No entanto, devido à alta tensão (até 1.000 V), alta temperatura e comutação rápida, eles também são incorporados em diversas aplicações de energia de comutação, como conversores CC-CC, inversores e carregadores de bateria.

Dispositivos SiC

Os transistores SiC são MOSFETs naturais de modo E. Esses dispositivos podem comutar em frequências de até 1 MHz e em níveis de tensão e corrente muito superiores aos MOSFETs de silício. A tensão máxima da fonte de drenagem é de até cerca de 1.800 V e a capacidade de corrente é de 100 amperes. Além disso, os dispositivos SiC têm uma resistência muito menor do que os MOSFETs de silício, resultando em maior eficiência em todas as aplicações de fonte de alimentação chaveada (projetos SMPS).

Os dispositivos SiC requerem um acionamento de tensão de porta de 18 a 20 volts para ligar o dispositivo com baixa resistência. Os MOSFETs Si padrão requerem menos de 10 volts no portão para serem totalmente ligados. Além disso, os dispositivos SiC requerem um gate drive de -3 a -5 V para mudar para o estado desligado. As capacidades de alta tensão e alta corrente dos MOSFETs de SiC os tornam ideais para circuitos de energia automotivos.

Em muitas aplicações, os IGBTs estão sendo substituídos por dispositivos SiC. Os dispositivos SiC podem comutar em frequências mais altas, reduzindo o tamanho e o custo dos indutores ou transformadores e, ao mesmo tempo, melhorando a eficiência. Além disso, o SiC pode lidar com correntes mais altas que o GaN.

Há competição entre dispositivos GaN e SiC, especialmente MOSFETs LDMOS de silício, MOSFETs de superjunção e IGBTs. Em muitas aplicações, eles estão sendo substituídos por transistores GaN e SiC.

Para resumir a comparação GaN vs. SiC, aqui estão os destaques:

GaN muda mais rápido que Si.

O SiC opera em tensões mais altas que o GaN.

SiC requires high gate drive voltages.

Muitos circuitos e dispositivos de energia podem ser melhorados projetando-os com GaN e SiC. Um dos maiores beneficiários é o sistema elétrico automotivo. Os veículos híbridos e elétricos modernos contêm dispositivos que podem usar esses dispositivos. Algumas das aplicações populares são OBCs, conversores DC-DC, acionamentos de motor e LiDAR. A Figura 3 aponta os principais subsistemas em veículos elétricos que necessitam de transistores chaveadores de alta potência.

Figura 3. Carregador de bordo (OBC) WBG para veículos híbridos e elétricos. A entrada CA é retificada, o fator de potência corrigido (PFC) e depois convertido em CC-CC

Conversor CC-CC. Este é um circuito de energia que converte a alta tensão da bateria em uma tensão mais baixa para operar outros dispositivos elétricos. A tensão da bateria atual varia de até 600V ou 900V. O conversor DC-DC reduz para 48V ou 12V, ou ambos, para operação de outros componentes eletrônicos (Figura 3). Em veículos híbridos elétricos e elétricos (HEVEVs), o DC-DC também pode ser usado para o barramento de alta tensão entre a bateria e o inversor.

Carregadores de bordo (OBCs). HEVEVs e EVs plug-in contêm um carregador de bateria interno que pode ser conectado a uma fonte de alimentação CA. Isso permite carregar em casa sem a necessidade de um carregador AC-DC externo (Figura 4).

Driver do motor de acionamento principal. O motor de acionamento principal é um motor CA de alta potência que aciona as rodas do veículo. O driver é um inversor que converte a tensão da bateria em CA trifásica para girar o motor.

Figura 4. Um conversor DC-DC típico é usado para converter altas tensões de bateria para 12 V e/ou 48 V. Os IGBTs usados ​​em pontes de alta tensão estão sendo substituídos por MOSFETs de SiC.

Os transistores GaN e SiC oferecem aos projetistas elétricos automotivos flexibilidade e projetos mais simples, bem como desempenho superior devido às suas características de alta tensão, alta corrente e comutação rápida.

VeTek Semiconductor é um fabricante chinês profissional deRevestimento de carboneto de tântalo, Revestimento de carboneto de silício, Produtos GaN, Grafite Especial, Cerâmica de Carboneto de SilícioeOutras cerâmicas semicondutoras. A VeTek Semiconductor está comprometida em fornecer soluções avançadas para diversos produtos de revestimento para a indústria de semicondutores.

Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com