تفاوت بین نیترید گالیم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) چیست؟

سیلیکون دهه هاست که بر دنیای ترانزیستورها تسلط داشته است. اما این در حال تغییر است. نیمه هادی های مرکب متشکل از دو یا سه ماده ساخته شده اند که دارای مزایای منحصر به فرد و خواص برتر هستند. به عنوان مثال، با نیمه هادی های مرکب، ما دیودهای ساطع کننده نور (LED) را توسعه دادیم. یک نوع آن از آرسنید گالیم (GaAs) و آرسنید گالیم فسفر (GaAsP) تشکیل شده است. برخی دیگر از ایندیم و فسفر استفاده می کنند. مشکل این است که ساخت نیمه هادی های مرکب سخت تر و گران تر است. با این حال، آنها مزایای قابل توجهی نسبت به سیلیکون دارند. برنامه‌های کاربردی جدید و سخت‌تر، مانند سیستم‌های الکتریکی خودرو و وسایل نقلیه الکتریکی (EVs)، در می‌یابند که نیمه‌هادی‌های ترکیبی بهتر مشخصات دقیق خود را برآورده می‌کنند.

دو دستگاه نیمه هادی مرکب، ترانزیستورهای قدرت نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC)، به عنوان طرح ظاهر شده اند. این دستگاه‌ها با ماسفت‌های نیمه‌رسانا اکسید فلزی (LDMOS) با قدرت سیلیکونی با عمر طولانی و ماسفت‌های سوپر اتصال رقابت می‌کنند. دستگاه های GaN و SiC از برخی جهات مشابه هستند، اما تفاوت های قابل توجهی نیز وجود دارد. این مقاله این دو را با هم مقایسه می‌کند و چند مثال ارائه می‌کند تا به شما در تصمیم‌گیری در مورد طراحی بعدی کمک کند.

نیمه هادی باندگپ گسترده

نیمه هادی های مرکب به عنوان دستگاه های باند پهن (WBG) شناخته می شوند. با کنار گذاشتن ساختارهای شبکه، سطوح انرژی و سایر فیزیک نیمه هادی های سرخراش، فقط بگوییم که تعریف WBG مدلی است که تلاش می کند چگونگی جریان (الکترون ها) را در یک نیمه هادی مرکب توصیف کند. نیمه هادی های ترکیبی WBG دارای تحرک الکترون بالاتر و انرژی باند باند بالاتری هستند که به خواصی برتر از سیلیکون تبدیل می شود. ترانزیستورهای ساخته شده از نیمه هادی های ترکیبی WBG دارای ولتاژ شکست بالاتر و تحمل دماهای بالا هستند. این دستگاه ها نسبت به سیلیکون در کاربردهای ولتاژ بالا و توان بالا مزایایی دارند.

ترانزیستورهای WBG نیز سریعتر از سیلیکون سوئیچ می شوند و به آنها اجازه می دهد در فرکانس های بالاتر کار کنند. مقاومت "روشن" کمتر به این معنی است که آنها توان کمتری را هدر می دهند و بازده انرژی را بهبود می بخشند. این ترکیب منحصربه‌فرد از ویژگی‌ها، این دستگاه‌ها را برای برخی از پرتقاضاترین مدارها در کاربردهای خودرو، به‌ویژه خودروهای هیبریدی و الکتریکی جذاب می‌کند. ترانزیستورهای GaN و SiC برای مقابله با چالش های تجهیزات الکتریکی خودرو به راحتی در دسترس هستند.

نقاط اصلی فروش دستگاه های GaN و SiC مزایای زیر است:

قابلیت ولتاژ بالا، موجود در دستگاه های 650 ولت، 900 ولت و 1200 ولت.

سرعت سوئیچینگ سریعتر

دمای عملیاتی بالاتر

مقاومت کمتر، حداقل اتلاف توان و راندمان انرژی بالاتر.

ترانزیستور GaN

در زمینه توان فرکانس رادیویی (RF)، ترانزیستورهای GaN دارای فرصت‌های تجاری اولیه بودند. ماهیت این ماده امکان توسعه ترانزیستورهای اثر میدانی حالت تخلیه (FET) را فراهم کرد. FET های نوع تخلیه (یا نوع D)، که به عنوان ترانزیستورهای تحرک الکترون بالا با حالت شبه (PHEMT) شناخته می شوند، به طور طبیعی دستگاه های "در حال انجام" هستند. از آنجایی که ورودی کنترل گیت وجود ندارد، یک کانال هدایت طبیعی وجود دارد. سیگنال ورودی گیت روشن، روشن و خاموش شدن دستگاه را کنترل می کند.

از آنجایی که در برنامه های سوئیچینگ، معمولاً دستگاه های پیشرفته (یا نوع E) "خاموش" ترجیح داده می شوند، این منجر به توسعه دستگاه های GaN نوع E شده است. اولی آبشاری از دو دستگاه FET است (شکل 2). اکنون دستگاه‌های استاندارد E-type GaN در دسترس هستند. آنها را می توان در فرکانس های تا 10 مگاهرتز با توان ده ها کیلووات روشن و خاموش کرد.

دستگاه های GaN به طور گسترده در دستگاه های بی سیم به عنوان تقویت کننده های قدرت با فرکانس تا 100 گیگاهرتز استفاده می شود.برخی از موارد استفاده اصلی تقویت‌کننده‌های برق ایستگاه پایه سلولی، رادار نظامی، فرستنده‌های ماهواره‌ای و تقویت‌کننده RF همه منظوره هستند.با این حال، به دلیل ولتاژ بالا (تا 1000 ولت)، دمای بالا و سوئیچینگ سریع، آنها همچنین در برنامه های مختلف برق سوئیچینگ مانند مبدل های DC-DC، اینورترها و شارژرهای باتری گنجانده شده اند.

ترانزیستورهای SiC

ترانزیستورهای SiC ماسفت های طبیعی از نوع E هستند. این دستگاه‌ها می‌توانند در فرکانس‌هایی تا ۱ مگاهرتز سوئیچ کنند، با سطوح ولتاژ و جریان بسیار بالاتر از ماسفت‌های سیلیکونی. حداکثر ولتاژ منبع تخلیه تا حدود 1800 ولت و ظرفیت جریان 100 آمپر است. علاوه بر این، دستگاه‌های SiC نسبت به ماسفت‌های سیلیکونی مقاومت بسیار پایین‌تری دارند، که باعث می‌شود در تمام برنامه‌های منبع تغذیه سوئیچینگ (طراحی‌های SMPS) انرژی کارآمدتری داشته باشند. یک اشکال کلیدی این است که آنها به ولتاژ درایو گیت بالاتری نسبت به سایر ماسفت ها نیاز دارند، اما با بهبود در طراحی، این دیگر یک اشکال نیست.

دستگاه‌های SiC به ولتاژ گیت‌های 18 تا 20 ولت برای عبور از دستگاه‌هایی با مقاومت روشن کم نیاز دارند. ماسفت های استاندارد Si به کمتر از 10 ولت گیت برای رسانایی کامل نیاز دارند. علاوه بر این، دستگاه‌های SiC برای تغییر حالت خاموش به یک درایو گیت -3 تا -5 ولت نیاز دارند. با این حال، IC های درایور گیت اختصاصی برای رفع این نیاز توسعه یافته اند.ماسفت‌های SiC معمولاً گران‌تر از سایر جایگزین‌ها هستند، اما ولتاژ بالا و قابلیت‌های جریان بالا آن‌ها را برای استفاده در مدارهای قدرت خودرو مناسب می‌سازد.

رقابت برای ترانزیستورهای WBG

هر دو دستگاه GaN و SiC با سایر نیمه هادی های بالغ، به ویژه ماسفت های LDMOS سیلیکونی، ماسفت های سوپر اتصال و IGBT رقابت می کنند. در بسیاری از کاربردها، این دستگاه های قدیمی به تدریج با ترانزیستورهای GaN و SiC جایگزین می شوند. به عنوان مثال، IGBT ها در بسیاری از برنامه ها با دستگاه های SiC جایگزین می شوند. دستگاه‌های SiC را می‌توان در فرکانس‌های بالاتر (100 KHZ + در مقابل 20 KHZ) روشن و خاموش کرد، که باعث می‌شود اندازه و هزینه هر سلف یا ترانسفورماتور کاهش یابد و در عین حال بهره‌وری انرژی بهبود یابد. علاوه بر این، SiC می تواند جریان های بسیار بزرگتری نسبت به GaN را تحمل کند.

برای خلاصه کردن مقایسه بین GaN و SiC، در اینجا نکات برجسته وجود دارد:

GaN سریعتر از Si سوئیچ می کند.

SiC دارای ولتاژ کاری بالاتر از GaN است.

SiC به یک ولتاژ درایو گیت بالا نیاز دارد.

ماسفت های Superjunction به تدریج با GaN و SiC جایگزین می شوند. به نظر می رسد SiC برای شارژرهای داخل خودرو (OBC) مورد علاقه است. این روند بدون شک ادامه خواهد داشت زیرا مهندسان دستگاه های جدیدتر را کشف کرده و تجربه استفاده از آنها را به دست می آورند.

برنامه های کاربردی خودرو

بسیاری از مدارهای قدرت و دستگاه ها برای کاربردهای خودرو را می توان با طراحی GaN و SiC بهبود بخشید. یکی از بزرگترین ذینفعان سیستم های برق خودرو است. خودروهای هیبریدی مدرن و خالص دارای وسایلی هستند که می توانند از این وسایل استفاده کنند. برخی از این برنامه های محبوب عبارتند از OBC، مبدل های DC-DC، درایورهای موتور و رادار لیزری (LiDAR).

مبدل DC-DC. این یک مدار منبع تغذیه است که ولتاژ باتری بالا را به ولتاژ پایین تر برای راه اندازی سایر تجهیزات الکتریکی تبدیل می کند. محدوده ولتاژ فعلی باتری به 600 یا 900 ولت می رسد. مبدل DC-DC برای عملکرد سایر قطعات الکترونیکی آن را به 48 ولت یا 12 ولت یا هر دو کاهش می دهد. در خودروهای الکتریکی هیبریدی و خودروهای الکتریکی (HEVEVs)، DC-DC همچنین می تواند به عنوان یک باس ولتاژ بالا بین بسته باتری و اینورتر استفاده شود.

شارژر ماشین (OBC). HEVEV ها و EV های پلاگین شامل یک شارژر باتری داخلی هستند که می تواند به منبع تغذیه AC متصل شود. این امکان شارژ در خانه را بدون نیاز به شارژر AC-DC خارجی فراهم می کند.

درایور موتور درایو اصلی. موتور محرک اصلی یک موتور AC با خروجی بالا است که چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد. درایور یک اینورتر است که ولتاژ باتری را به جریان متناوب سه فاز تبدیل می کند تا موتور کار کند.

LiDAR. LiDAR به فناوری اطلاق می شود که روش های نور و رادار را برای شناسایی و شناسایی اشیاء اطراف ترکیب می کند. این دستگاه یک ناحیه 360 درجه را با لیزر مادون قرمز پالسی اسکن می کند و نور منعکس شده را تشخیص می دهد. این اطلاعات به تصاویر سه بعدی دقیق در بردی در حدود 300 متر و با وضوح چند سانتی متر تبدیل می شود. وضوح بالای آن، آن را به یک حسگر ایده‌آل برای وسایل نقلیه، به ویژه رانندگی خودکار، برای بهبود تشخیص اشیاء نزدیک تبدیل می‌کند. دستگاه های LiDAR در محدوده ولتاژ DC 12-24 ولت کار می کنند که از مبدل DC-DC مشتق شده است. از آنجایی که ترانزیستورهای GaN و SiC با ولتاژ بالا، جریان بالا و سوئیچینگ سریع مشخص می‌شوند، طراحی‌های انعطاف‌پذیر و ساده‌تر و عملکرد برتر را به طراحان برق خودرو ارائه می‌دهند.

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. محدود یک شرکت مدرن در زمینه تحقیق و توسعه مجموعه سرامیک های پیشرفته، تولید و فروش به صورت یکپارچه، عمدتاً سرامیک متخلخل، آلومینا، زیرکونیا، نیترید سیلیکون، کاربید سیلیکون، نیترید آلومینیوم، سرامیک دی الکتریک مایکروویو و سایر مواد سرامیکی پیشرفته تولید می کند. متخصص فن آوری ژاپنی دعوت شده ویژه ما بیش از 30 سال تجربه صنعت در زمینه نیمه هادی دارد، راه حل های کاربردی سرامیکی ویژه ای را با مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دمای بالا، هدایت حرارتی بالا، عایق برای مشتریان داخلی و خارجی به طور موثر ارائه می دهد.