Quelle est la différence entre le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) ?

Le silicium domine le monde des transistors depuis des décennies. Mais cela est en train de changer. Des semi-conducteurs composés constitués de deux ou trois matériaux ont été développés et offrent des avantages uniques et des propriétés supérieures. Par exemple, avec les semi-conducteurs composés, nous avons développé des diodes électroluminescentes (LED). Un type est composé d’arséniure de gallium (GaAs) et d’arséniure de gallium et de phosphore (GaAsP). D'autres utilisent l'indium et le phosphore. Le problème est que les semi-conducteurs composés sont plus difficiles à fabriquer et plus chers. Ils présentent cependant des avantages significatifs par rapport au silicium. Des applications nouvelles et plus exigeantes, telles que les systèmes électriques automobiles et les véhicules électriques (VE), constatent que les semi-conducteurs composés répondent mieux à leurs spécifications strictes.

Deux dispositifs à semi-conducteurs composés, les transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) et en carbure de silicium (SiC), ont émergé comme schémas. Ces dispositifs sont en concurrence avec les MOSFET à semi-conducteur à oxyde métallique à diffusion transversale (LDMOS) de longue durée et les MOSFET à super-jonction. Les dispositifs GaN et SiC sont similaires à certains égards, mais il existe également des différences significatives. Cet article compare les deux et fournit quelques exemples pour vous aider à décider de votre prochaine conception.

Semi-conducteur à large bande interdite

Les semi-conducteurs composés sont connus sous le nom de dispositifs à large bande interdite (WBG). Laissant de côté les structures de réseau, les niveaux d'énergie et d'autres physiques des semi-conducteurs qui vous grattent la tête, disons simplement que la définition du WBG est un modèle qui tente de décrire comment le courant (les électrons) circule dans un semi-conducteur composé. Les semi-conducteurs composés WBG ont une mobilité électronique plus élevée et une énergie de bande interdite plus élevée, ce qui se traduit par des propriétés supérieures à celles du silicium. Les transistors fabriqués à partir de semi-conducteurs composés WBG ont une tension de claquage plus élevée et une tolérance aux températures élevées. Ces dispositifs offrent des avantages par rapport au silicium dans les applications haute tension et haute puissance.

Les transistors WBG commutent également plus rapidement que le silicium, ce qui leur permet de fonctionner à des fréquences plus élevées. Une résistance « on » plus faible signifie qu’ils dissipent moins de puissance, améliorant ainsi l’efficacité énergétique. Cette combinaison unique de fonctionnalités rend ces dispositifs attrayants pour certains des circuits les plus exigeants des applications automobiles, en particulier les véhicules hybrides et électriques. Les transistors GaN et SiC deviennent de plus en plus disponibles pour relever les défis des équipements électriques automobiles.

Les principaux arguments de vente des dispositifs GaN et SiC sont les avantages suivants :

Capacité haute tension, disponible dans les appareils 650 V, 900 V et 1 200 V.

Vitesse de commutation plus rapide.

Température de fonctionnement plus élevée.

Résistance à l'état passant inférieure, dissipation de puissance minimale et efficacité énergétique supérieure.

Transistor GaN

Dans le domaine de la puissance radiofréquence (RF), les transistors GaN se sont révélés offrir des opportunités commerciales précoces. La nature du matériau a permis le développement de transistors à effet de champ (FET) en mode déplétion. Les FET de type à déplétion (ou de type D), connus sous le nom de transistors pseudo-états à haute mobilité électronique (PHEMT), sont naturellement des dispositifs « continus » ; Puisqu’il n’y a pas d’entrée de commande de porte, il existe un canal de conduction naturelle. Le signal d'entrée de la porte contrôle l'activation, la mise sous tension et la désactivation du canal de l'appareil.

Étant donné que dans les applications de commutation, les dispositifs améliorés (ou de type E) sont généralement préférés, cela a conduit au développement de dispositifs GaN de type E. Le premier est une cascade de deux dispositifs FET (Figure 2). Désormais, des dispositifs GaN standard de type E sont disponibles. Ils peuvent être allumés et éteints à des fréquences allant jusqu'à 10 mégahertz, avec une puissance de plusieurs dizaines de kilowatts.

Les dispositifs GaN sont largement utilisés dans les appareils sans fil comme amplificateurs de puissance avec des fréquences allant jusqu'à 100 GHz.Certains des principaux cas d'utilisation sont les amplificateurs de puissance des stations de base cellulaires, les radars militaires, les émetteurs satellite et l'amplification RF à usage général.Cependant, en raison de la haute tension (jusqu'à 1 000 V), de la température élevée et de la commutation rapide, ils sont également intégrés dans diverses applications de puissance de commutation telles que les convertisseurs DC-DC, les onduleurs et les chargeurs de batterie.

Transistor SiC

Les transistors SiC sont des MOSFET naturels de type E. Ces dispositifs peuvent commuter à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz, avec des niveaux de tension et de courant bien supérieurs à ceux des MOSFET au silicium. La tension drain-source maximale peut atteindre environ 1 800 V et la capacité actuelle est de 100 ampères. De plus, les dispositifs SiC ont une résistance à l'état passant bien inférieure à celle des MOSFET au silicium, ce qui les rend plus économes en énergie dans toutes les applications d'alimentation à découpage (conceptions SMPS). Un inconvénient majeur est qu'ils nécessitent une tension de commande de grille plus élevée que les autres MOSFET, mais grâce aux améliorations apportées à la conception, ce n'est plus un inconvénient.

Les dispositifs SiC nécessitent des tensions de grille de 18 à 20 volts pour traverser des dispositifs à faible résistance à l'état passant. Les MOSFET Si standard nécessitent moins de 10 volts de grille pour être entièrement conducteurs. De plus, les dispositifs SiC nécessitent un pilote de grille de -3 à -5 V pour passer à l'état désactivé. Cependant, des circuits intégrés de commande de grille dédiés ont été développés pour répondre à ce besoin.Les MOSFET SiC sont généralement plus chers que les autres alternatives, mais leurs capacités haute tension et courant élevé les rendent bien adaptés à une utilisation dans les circuits de puissance automobiles.

Concours pour les transistors WBG

Les dispositifs GaN et SiC sont en concurrence avec d'autres semi-conducteurs matures, en particulier les MOSFET LDMOS en silicium, les MOSFET à super jonction et les IGBT. Dans de nombreuses applications, ces anciens dispositifs sont progressivement remplacés par des transistors GaN et SiC. Par exemple, les IGBT sont remplacés par des dispositifs SiC dans de nombreuses applications. Les dispositifs SiC peuvent être allumés et éteints à des fréquences plus élevées (100 KHZ + contre 20 KHZ), permettant de réduire la taille et le coût de tout inducteur ou transformateur tout en améliorant l'efficacité énergétique. De plus, le SiC peut gérer des courants beaucoup plus importants que le GaN.

Pour résumer la comparaison entre GaN et SiC, voici les points forts :

GaN commute plus rapidement que Si.

Le SiC a une tension de fonctionnement plus élevée que le GaN.

Le SiC nécessite une tension de commande de grille élevée.

Les MOSFET à superjonction sont progressivement remplacés par le GaN et le SiC. Le SiC semble être un favori pour les chargeurs embarqués (OBC). Cette tendance se poursuivra sans aucun doute à mesure que les ingénieurs découvriront de nouveaux appareils et acquerront de l’expérience dans leur utilisation.

Applications automobiles

De nombreux circuits et dispositifs de puissance destinés aux applications automobiles peuvent être améliorés grâce à la conception GaN et SiC. Les systèmes électriques automobiles sont l’un des plus grands bénéficiaires. Les véhicules hybrides et électriques modernes contiennent des appareils capables d’utiliser ces appareils. Certaines de ces applications populaires sont l'OBC, les convertisseurs DC-DC, les pilotes de moteur et le radar laser (LiDAR).

Convertisseur DC-DC. Il s'agit d'un circuit d'alimentation qui convertit une tension de batterie élevée en une tension plus faible pour faire fonctionner d'autres équipements électriques. La plage de tension actuelle de la batterie peut atteindre 600 ou 900 volts. Le convertisseur DC-DC le réduit à 48 volts ou 12 volts, ou les deux, pour le fonctionnement d'autres composants électroniques. Dans les véhicules électriques hybrides et les véhicules électriques (HEVEV), le DC-DC peut également être utilisé comme bus haute tension entre la batterie et l'onduleur.

Chargeur de voiture (OBC). Les HEVEV et EV rechargeables comprennent un chargeur de batterie interne qui peut être connecté à une alimentation secteur. Cela permet de recharger à la maison sans avoir besoin d’un chargeur AC−DC externe.

Pilote du moteur d’entraînement principal. Le moteur d'entraînement principal est un moteur à courant alternatif à haut rendement qui entraîne les roues du véhicule. Le pilote est un onduleur qui convertit la tension de la batterie en courant alternatif triphasé pour faire fonctionner le moteur.

LiDAR. LiDAR fait référence à une technologie qui combine des méthodes lumineuses et radar pour détecter et identifier les objets environnants. Il scanne une zone à 360 degrés avec un laser infrarouge pulsé et détecte la lumière réfléchie. Ces informations sont traduites en images tridimensionnelles détaillées à une distance d'environ 300 mètres, avec une résolution de quelques centimètres. Sa haute résolution en fait un capteur idéal pour les véhicules, notamment la conduite autonome, pour améliorer la reconnaissance des objets à proximité. Les appareils LiDAR fonctionnent dans la plage de tension continue de 12 à 24 volts, dérivée d'un convertisseur DC-DC. Étant donné que les transistors GaN et SiC se caractérisent par une haute tension, un courant élevé et une commutation rapide, ils offrent aux concepteurs électriques automobiles des conceptions flexibles et plus simples et des performances supérieures.

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