窒化ガリウム (GaN) と炭化ケイ素 (SiC) の違いは何ですか?

シリコンは何十年にもわたってトランジスタの世界を支配してきました。 しかし、それは変わりつつあります。 2 つまたは 3 つの材料から構成される化合物半導体は、独自の利点と優れた特性を提供するように開発されています。 例えば、化合物半導体では発光ダイオード（led）を開発しました。 1 つのタイプはガリウム砒素 (GaAs) とガリウム燐砒素 (GaAsP) で構成されます。 インジウムやリンを使用するものもあります。 問題は、化合物半導体は製造が難しく、より高価であることです。 ただし、シリコンに比べて大きな利点があります。 自動車電気システムや電気自動車 (EV) などの、より要求の厳しい新しいアプリケーションでは、化合物半導体がその厳しい仕様をより適切に満たすことがわかってきています。

窒化ガリウム（GaN）と炭化ケイ素（SiC）パワートランジスタという2つの化合物半導体デバイスが方式として登場した。 これらのデバイスは、長寿命のシリコンパワー横拡散金属酸化膜半導体 (LDMOS) MOSFET やスーパージャンクション MOSFET と競合します。 GaN デバイスと SiC デバイスはいくつかの点で似ていますが、大きな違いもあります。 この記事では 2 つを比較し、次のデザインを決定するのに役立つ例をいくつか示します。

ワイドバンドギャップ半導体

化合物半導体はワイドバンドギャップ (WBG) デバイスとして知られています。格子構造、エネルギー準位、その他の頭の痛い半導体物理学はさておき、WBG の定義は、化合物半導体内で電流 (電子) がどのように流れるかを説明しようとするモデルであるとだけ言っておきましょう。 WBG 化合物半導体は、電子移動度が高く、バンドギャップ エネルギーが高く、シリコンよりも優れた特性を示します。 WBG 化合物半導体で作られたトランジスタは、より高い降伏電圧と高温耐性を備えています。 これらのデバイスは、高電圧および高電力アプリケーションにおいてシリコンに勝る利点をもたらします。

また、WBG トランジスタはシリコンよりも高速にスイッチングするため、より高い周波数での動作が可能になります。 「オン」抵抗が低いということは、消費電力が少なくなり、エネルギー効率が向上することを意味します。 このユニークな機能の組み合わせにより、これらのデバイスは、自動車アプリケーション、特にハイブリッド車や電気自動車の最も要求の厳しい回路にとって魅力的になります。 GaN および SiC トランジスタは、自動車電気機器の課題に対処するために容易に利用できるようになってきています。

GaN および SiC デバイスの主なセールス ポイントは次のような利点です。

高電圧機能、650 V、900 V、1200 V のデバイスで利用可能。

スイッチング速度が速くなります。

動作温度が高くなります。

オン抵抗が低く、電力損失が最小限に抑えられ、エネルギー効率が高くなります。

GaNトランジスタ

高周波（RF）電力の分野では、GaN トランジスタに早期のビジネスチャンスがあることが判明しました。 材料の性質により、デプレッション モード電界効果トランジスタ (FET) の開発が可能になりました。 擬似状態高電子移動度トランジスタ (PHEMT) として知られるデプレッション型 (または D 型) FET は、本来は「オンゴーイング」デバイスです。 ゲート制御入力がないため、自然伝導チャネルが存在します。 ゲート入力信号は、デバイスのチャネルのオン、オン、オフを制御します。

スイッチング用途では、通常「オフ」エンハンスド（または E タイプ）デバイスが好まれるため、これが E タイプ GaN デバイスの開発につながりました。 1 つ目は 2 つの FET デバイスのカスケードです (図 2)。 現在、標準的な E タイプ GaN デバイスが利用可能です。 最大 10 メガヘルツの周波数で数十キロワットの電力でオン/オフを切り替えることができます。

GaN デバイスは、最大 100 GHz の周波数のパワーアンプとしてワイヤレス デバイスで広く使用されています。主な使用例としては、携帯電話基地局のパワーアンプ、軍用レーダー、衛星送信機、汎用 RF 増幅などがあります。ただし、高電圧 (最大 1,000 V)、高温、高速スイッチングに対応するため、DC-DC コンバータ、インバータ、バッテリ充電器などのさまざまなスイッチング電源アプリケーションにも組み込まれています。

SiCトランジスタ

SiC トランジスタは自然な E タイプ MOSFET です。これらのデバイスは、シリコン MOSFET よりもはるかに高い電圧および電流レベルで、最大 1 MHz の周波数でスイッチングできます。 最大ドレイン・ソース間電圧は約1,800V、電流容量は100アンペアです。 さらに、SiC デバイスはシリコン MOSFET よりもオン抵抗がはるかに低いため、すべてのスイッチング電源アプリケーション (SMPS 設計) においてエネルギー効率が高くなります。 主な欠点は、他の MOSFET よりも高いゲート駆動電圧を必要とすることですが、設計の改善により、これは欠点ではなくなりました。

SiC デバイスは、オン抵抗の低いデバイスを駆動するために 18 ～ 20 ボルトのゲート電圧を必要とします。 標準の Si MOSFET が完全に導電するには、10 ボルト未満のゲートが必要です。 さらに、SiC デバイスをオフ状態に切り替えるには、-3 ～ -5 V のゲート駆動が必要です。 ただし、このニーズを満たすために専用のゲート ドライバー IC が開発されました。SiC MOSFET は一般に他の代替品より高価ですが、その高電圧、大電流機能により、自動車の電源回路での使用に適しています。

WBGトランジスタの競争

GaN デバイスと SiC デバイスはどちらも、他の成熟した半導体、特にシリコン LDMOS MOSFET、スーパージャンクション MOSFET、IGBT と競合します。 多くのアプリケーションでは、これらの古いデバイスが GaN および SiC トランジスタに徐々に置き換えられています。 たとえば、多くのアプリケーションで IGBT が SiC デバイスに置き換えられています。 SiC デバイスは、より高い周波数 (100 KHZ + vs. 20 KHZ) でオン/オフを切り替えることができるため、エネルギー効率を向上させながら、インダクタやトランスのサイズとコストを削減できます。 さらに、SiC は GaN よりもはるかに大きな電流を処理できます。

GaN と SiC の比較の要点をまとめると、次のようになります。

GaN は Si よりも速くスイッチングします。

SiC は GaN よりも高い動作電圧を持っています。

SiC は高いゲート駆動電圧を必要とします。

スーパージャンクション MOSFET は、徐々に GaN や SiC に置き換えられています。 SiC は車載充電器 (OBC) に人気があるようです。 エンジニアが新しいデバイスを発見し、使用経験を積むにつれ、この傾向は間違いなく続くでしょう。

自動車用途

車載アプリケーション向けの多くの電源回路およびデバイスは、GaN および SiC 設計によって改善できます。 最大の恩恵を受けるのは自動車の電気システムです。 最新のハイブリッド車両や純粋な電気自動車には、これらのデバイスを使用できるデバイスが搭載されています。 これらの一般的なアプリケーションには、OBC、DC-DC コンバータ、モーター ドライバー、レーザー レーダー (LiDAR) などがあります。

DC-DCコンバーター。これは、他の電気機器を動作させるために、バッテリーの高い電圧を低い電圧に変換する電源回路です。 現在のバッテリーの電圧範囲は 600 ボルトまたは 900 ボルトにも達します。 DC-DC コンバータは、他の電子コンポーネントの動作のために電圧を 48 ボルトまたは 12 ボルト、あるいはその両方に下げます。 ハイブリッド電気自動車および電気自動車 (HEVEV) では、DC-DC はバッテリー パックとインバーター間の高電圧バスとしても使用できます。

カーチャージャー (OBC)。プラグイン HEVEV および EV には、AC 電源に接続できる内蔵バッテリー充電器が含まれています。 これにより、外部 AC-DC 充電器を必要とせずに自宅で充電できます。

メインドライブモータードライバー。主駆動モーターは高出力ACモーターで車両の車輪を駆動します。 ドライバーはバッテリー電圧を三相交流に変換してモーターを回転させるインバーターです。

ライダー。 LiDAR は、光とレーダーの方法を組み合わせて周囲の物体を検出および識別するテクノロジーを指します。 パルス赤外線レーザーで 360 度のエリアをスキャンし、反射光を検出します。 この情報は、約 300 メートルの範囲で数センチメートルの解像度で詳細な 3 次元画像に変換されます。 その高解像度により、車両、特に自動運転において、近くの物体の認識を向上させるための理想的なセンサーとなります。 LiDAR デバイスは、DC-DC コンバータから得られる 12 ～ 24 ボルトの DC 電圧範囲で動作します。 GaN および SiC トランジスタは高電圧、大電流、高速スイッチングを特徴とするため、自動車の電気設計者に柔軟でシンプルな設計と優れた性能を提供します。

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