Sự khác biệt giữa gali nitrit (GaN) và cacbua silic (SiC) là gì?

Silicon đã thống trị thế giới bóng bán dẫn trong nhiều thập kỷ. Nhưng điều đó đang thay đổi. Chất bán dẫn phức hợp bao gồm hai hoặc ba vật liệu đã được phát triển mang lại những ưu điểm độc đáo và đặc tính vượt trội. Ví dụ, với chất bán dẫn phức hợp, chúng tôi đã phát triển điốt phát sáng (đèn led). Một loại bao gồm gallium arsenide (GaAs) và gallium photpho arsenide (GaAsP). Những người khác sử dụng indi và phốt pho. Vấn đề là chất bán dẫn phức hợp khó chế tạo hơn và đắt hơn. Tuy nhiên, chúng có những lợi thế đáng kể so với silicon. Các ứng dụng mới và đòi hỏi khắt khe hơn, chẳng hạn như hệ thống điện ô tô và xe điện (EV), đang nhận thấy rằng chất bán dẫn phức hợp đáp ứng tốt hơn các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt của chúng.

Hai thiết bị bán dẫn phức hợp, bóng bán dẫn điện gali nitrit (GaN) và silicon cacbua (SiC), đã xuất hiện dưới dạng sơ đồ. Các thiết bị này cạnh tranh với các MOSFET bán dẫn oxit kim loại khuếch tán ngang (LDMOS) năng lượng silicon có tuổi thọ cao và MOSFET siêu tiếp giáp. Các thiết bị GaN và SiC giống nhau ở một số khía cạnh, nhưng cũng có những khác biệt đáng kể. Bài viết này so sánh cả hai và cung cấp một số ví dụ để giúp bạn quyết định thiết kế tiếp theo của mình.

Chất bán dẫn có dải rộng

Chất bán dẫn phức hợp được gọi là thiết bị có khoảng cách băng rộng (WBG). Bỏ qua các cấu trúc mạng, mức năng lượng và vật lý bán dẫn khó hiểu khác, hãy nói rằng định nghĩa của WBG là một mô hình cố gắng mô tả cách dòng điện (electron) chạy trong một chất bán dẫn hỗn hợp. Chất bán dẫn hợp chất WBG có độ linh động điện tử cao hơn và năng lượng vùng cấm cao hơn, mang lại những đặc tính vượt trội hơn silicon. Các bóng bán dẫn làm từ chất bán dẫn hỗn hợp WBG có điện áp đánh thủng cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ cao. Những thiết bị này mang lại lợi thế hơn silicon trong các ứng dụng điện áp cao và năng lượng cao.

Các bóng bán dẫn WBG cũng chuyển đổi nhanh hơn silicon, cho phép chúng hoạt động ở tần số cao hơn. Điện trở "bật" thấp hơn có nghĩa là chúng tiêu hao ít năng lượng hơn, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Sự kết hợp các tính năng độc đáo này làm cho các thiết bị này trở nên hấp dẫn đối với một số mạch đòi hỏi khắt khe nhất trong các ứng dụng ô tô, đặc biệt là xe hybrid và xe điện. Các bóng bán dẫn GaN và SiC đang ngày càng sẵn có để đáp ứng những thách thức của thiết bị điện ô tô.

Điểm bán hàng chính của thiết bị GaN và SiC là những ưu điểm sau:

Khả năng điện áp cao, có sẵn trong các thiết bị 650 V, 900 V và 1200 V.

Tốc độ chuyển đổi nhanh hơn.

Nhiệt độ hoạt động cao hơn.

Điện trở thấp hơn, tiêu tán năng lượng tối thiểu và hiệu suất năng lượng cao hơn.

Transistor GaN

Trong lĩnh vực năng lượng tần số vô tuyến (RF), bóng bán dẫn GaN được nhận thấy có cơ hội kinh doanh sớm. Bản chất của vật liệu cho phép phát triển các bóng bán dẫn hiệu ứng trường ở chế độ cạn kiệt (FET). FET loại suy giảm (hoặc loại D), được gọi là bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao giả (PHEMT), là các thiết bị "đang hoạt động" một cách tự nhiên; Vì không có đầu vào điều khiển cổng nên sẽ có kênh dẫn tự nhiên. Tín hiệu đầu vào cổng điều khiển bật, tắt và tắt kênh của thiết bị.

Vì trong các ứng dụng chuyển đổi, các thiết bị nâng cao (hoặc loại E) thường được ưu tiên "tắt", điều này đã dẫn đến sự phát triển của các thiết bị GaN loại E. Đầu tiên là một loạt hai thiết bị FET (Hình 2). Hiện nay, các thiết bị GaN loại E tiêu chuẩn đã có sẵn. Chúng có thể được bật và tắt ở tần số lên tới 10 megahertz, với công suất hàng chục kilowatt.

Thiết bị GaN được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị không dây làm bộ khuếch đại công suất có tần số lên tới 100 GHz.Một số trường hợp sử dụng chính là bộ khuếch đại công suất trạm gốc di động, radar quân sự, máy phát vệ tinh và khuếch đại RF đa năng.Tuy nhiên, do điện áp cao (lên đến 1.000V), nhiệt độ cao và chuyển mạch nhanh nên chúng cũng được tích hợp vào nhiều ứng dụng nguồn chuyển mạch khác nhau như bộ chuyển đổi DC-DC, bộ biến tần và bộ sạc pin.

bóng bán dẫn SiC

Các bóng bán dẫn SiC là MOSFET loại E tự nhiên. Các thiết bị này có thể chuyển đổi ở tần số lên tới 1 MHz, với mức điện áp và dòng điện cao hơn nhiều so với MOSFET silicon. Điện áp nguồn xả tối đa lên tới khoảng 1.800 V và công suất hiện tại là 100 amps. Ngoài ra, các thiết bị SiC có điện trở thấp hơn nhiều so với MOSFET silicon, khiến chúng tiết kiệm năng lượng hơn trong tất cả các ứng dụng cấp nguồn chuyển mạch (thiết kế SMPS). Một nhược điểm chính là chúng yêu cầu điện áp truyền động cổng cao hơn các MOSFET khác, nhưng với những cải tiến về thiết kế, đây không còn là nhược điểm nữa.

Các thiết bị SiC yêu cầu điện áp cổng từ 18 đến 20 volt để truyền động qua các thiết bị có điện trở thấp. MOSFET Si tiêu chuẩn yêu cầu điện áp cổng dưới 10 volt để có thể dẫn điện hoàn toàn. Ngoài ra, thiết bị SiC yêu cầu ổ cổng -3 đến -5 V để chuyển sang trạng thái tắt. Tuy nhiên, IC điều khiển cổng chuyên dụng đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu này.MOSFET SiC thường đắt hơn so với các lựa chọn thay thế khác, nhưng khả năng điện áp cao, dòng điện cao khiến chúng rất phù hợp để sử dụng trong các mạch điện ô tô.

Cạnh tranh cho bóng bán dẫn WBG

Cả thiết bị GaN và SiC đều cạnh tranh với các chất bán dẫn trưởng thành khác, đặc biệt là MOSFET LDMOS silicon, MOSFET siêu tiếp nối và IGBT. Trong nhiều ứng dụng, những thiết bị cũ này đang dần được thay thế bằng bóng bán dẫn GaN và SiC. Ví dụ: IGBT đang được thay thế bằng thiết bị SiC trong nhiều ứng dụng. Các thiết bị SiC có thể được bật và tắt ở tần số cao hơn (100 KHZ + so với 20 KHZ), cho phép giảm kích thước và chi phí của bất kỳ cuộn cảm hoặc máy biến áp nào đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng. Ngoài ra, SiC có thể xử lý dòng điện lớn hơn nhiều so với GaN.

Để tóm tắt sự so sánh giữa GaN và SiC, đây là những điểm nổi bật:

GaN chuyển mạch nhanh hơn Si.

SiC có điện áp hoạt động cao hơn GaN.

SiC yêu cầu điện áp ổ đĩa cổng cao.

MOSFET siêu nối tiếp đang dần được thay thế bởi GaN và SiC. SiC dường như được yêu thích cho bộ sạc trong ô tô (OBC). Xu hướng này chắc chắn sẽ tiếp tục khi các kỹ sư khám phá các thiết bị mới hơn và tích lũy kinh nghiệm sử dụng chúng.

Ứng dụng ô tô

Nhiều mạch điện và thiết bị cho ứng dụng ô tô có thể được cải tiến nhờ thiết kế GaN và SiC. Một trong những người hưởng lợi lớn nhất là hệ thống điện ô tô. Xe hybrid và xe điện thuần túy hiện đại có chứa các thiết bị có thể sử dụng các thiết bị này. Một số ứng dụng phổ biến này là OBC, bộ chuyển đổi DC-DC, trình điều khiển động cơ và radar laser (LiDAR).

Bộ chuyển đổi DC / DC. Đây là mạch cấp nguồn có chức năng chuyển đổi điện áp cao của pin thành điện áp thấp hơn để chạy các thiết bị điện khác. Phạm vi điện áp pin hiện tại cao tới 600 hoặc 900 volt. Bộ chuyển đổi DC-DC giảm điện áp xuống 48 volt hoặc 12 volt hoặc cả hai để vận hành các linh kiện điện tử khác. Trong xe điện hybrid và xe điện (HEVEV), DC-DC cũng có thể được sử dụng làm bus điện áp cao giữa bộ pin và bộ biến tần.

Bộ sạc xe hơi (OBC). HEVEV và EV plug-in bao gồm bộ sạc pin bên trong có thể được kết nối với nguồn điện AC. Điều này cho phép sạc tại nhà mà không cần bộ sạc AC− DC bên ngoài.

Trình điều khiển động cơ truyền động chính. Động cơ dẫn động chính là động cơ xoay chiều công suất cao dẫn động các bánh xe. Trình điều khiển là một bộ biến tần có chức năng chuyển đổi điện áp pin thành dòng điện xoay chiều ba pha để làm cho động cơ chạy.

LiDAR. LiDAR là công nghệ kết hợp giữa phương pháp ánh sáng và radar để phát hiện và xác định các vật thể xung quanh. Nó quét một khu vực 360 độ bằng tia laser hồng ngoại dạng xung và phát hiện ánh sáng phản xạ. Thông tin này được dịch thành hình ảnh ba chiều chi tiết ở phạm vi khoảng 300 mét, với độ phân giải vài cm. Độ phân giải cao khiến nó trở thành cảm biến lý tưởng cho các phương tiện, đặc biệt là xe tự lái, nhằm cải thiện khả năng nhận dạng các vật thể ở gần. Các thiết bị LiDAR hoạt động ở dải điện áp DC 12-24 volt, được lấy từ bộ chuyển đổi DC-DC. Bởi vì bóng bán dẫn GaN và SiC được đặc trưng bởi điện áp cao, dòng điện cao và chuyển mạch nhanh, chúng cung cấp cho các nhà thiết kế điện ô tô những thiết kế linh hoạt, đơn giản hơn và hiệu suất vượt trội.

CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ FOUNTYL. TNHH. là một doanh nghiệp hiện đại trong lĩnh vực R&D gốm sứ tiên tiến, sản xuất và bán hàng là một, chủ yếu sản xuất gốm xốp, alumina, zirconia, silicon nitride, silicon Carbide, nhôm nitride, gốm điện môi vi sóng và các vật liệu gốm tiên tiến khác. Chuyên gia công nghệ Nhật Bản được mời đặc biệt của chúng tôi có hơn 30 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực bán dẫn, cung cấp hiệu quả các giải pháp ứng dụng gốm sứ đặc biệt với khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt, cách nhiệt cao cho khách hàng trong và ngoài nước.