Apakah perbezaan antara galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC)?

Silikon telah menguasai dunia transistor selama beberapa dekad. Tetapi itu berubah. Kompaun semikonduktor yang terdiri daripada dua atau tiga bahan telah dibangunkan yang menawarkan kelebihan unik dan sifat unggul. Sebagai contoh, dengan semikonduktor kompaun, kami membangunkan diod pemancar cahaya (led). Satu jenis terdiri daripada gallium arsenide (GaAs) dan gallium phosphorus arsenide (GaAsP). Yang lain menggunakan indium dan fosforus. Masalahnya, semikonduktor kompaun lebih sukar dibuat dan lebih mahal. Walau bagaimanapun, mereka mempunyai kelebihan yang ketara berbanding silikon. Aplikasi baharu dan lebih menuntut, seperti sistem elektrik automotif dan kenderaan elektrik (EV), mendapati bahawa semikonduktor kompaun lebih memenuhi spesifikasi ketat mereka.

Dua peranti semikonduktor kompaun, galium nitrida (GaN) dan transistor kuasa silikon karbida (SiC), telah muncul sebagai skema. Peranti ini bersaing dengan MOSFET semikonduktor oksida logam (LDMOS) dan MOSFET simpang super kuasa silikon tahan lama. Peranti GaN dan SiC adalah serupa dalam beberapa aspek, tetapi terdapat juga perbezaan yang ketara. Artikel ini membandingkan kedua-duanya dan menyediakan beberapa contoh untuk membantu anda membuat keputusan tentang reka bentuk anda yang seterusnya.

Semikonduktor celah jalur lebar

Semikonduktor kompaun dikenali sebagai peranti jurang jalur lebar (WBG). Mengetepikan struktur kekisi, aras tenaga dan fizik semikonduktor menggaru kepala lain, katakan sahaja takrifan WBG ialah model yang cuba menerangkan cara arus (elektron) mengalir dalam semikonduktor sebatian. Semikonduktor kompaun WBG mempunyai mobiliti elektron yang lebih tinggi dan tenaga celah jalur yang lebih tinggi, diterjemahkan kepada sifat yang lebih baik daripada silikon. Transistor yang diperbuat daripada semikonduktor sebatian WBG mempunyai voltan pecahan yang lebih tinggi dan toleransi kepada suhu tinggi. Peranti ini menawarkan kelebihan berbanding silikon dalam aplikasi voltan tinggi dan kuasa tinggi.

Transistor WBG juga bertukar lebih cepat daripada silikon, membolehkan mereka beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Rintangan "hidup" yang lebih rendah bermakna ia mengurangkan kuasa, meningkatkan kecekapan tenaga. Gabungan ciri unik ini menjadikan peranti ini menarik untuk beberapa litar yang paling mencabar dalam aplikasi automotif, terutamanya kenderaan hibrid dan elektrik. Transistor GaN dan SiC semakin tersedia untuk menghadapi cabaran peralatan elektrik automotif.

Titik jualan utama peranti GaN dan SiC ialah kelebihan berikut:

Keupayaan voltan tinggi, tersedia dalam peranti 650 V, 900 V dan 1200 V.

Kelajuan pensuisan yang lebih pantas.

Suhu operasi yang lebih tinggi.

Rintangan pada yang lebih rendah, pelesapan kuasa minimum dan kecekapan tenaga yang lebih tinggi.

transistor GaN

Dalam bidang kuasa frekuensi radio (RF), transistor GaN didapati mempunyai peluang perniagaan awal. Sifat bahan membenarkan pembangunan transistor kesan medan mod pengurangan (FET). FET jenis penyusutan (atau jenis D), dikenali sebagai transistor mobiliti elektron tinggi pseudostat (PHEMT), secara semula jadi adalah peranti "berterusan"; Oleh kerana tiada input kawalan get, terdapat saluran pengaliran semula jadi. Isyarat input get mengawal saluran menghidupkan, menghidupkan dan mematikan peranti.

Memandangkan dalam menukar aplikasi, biasanya peranti yang dipertingkatkan (atau E-jenis) biasanya "mati", ini telah membawa kepada pembangunan peranti GaN E-jenis. Yang pertama ialah lata dua peranti FET (Rajah 2). Kini, peranti GaN jenis E standard tersedia. Ia boleh dihidupkan dan dimatikan pada frekuensi sehingga 10 megahertz, dengan kuasa berpuluh-puluh kilowatt.

Peranti GaN digunakan secara meluas dalam peranti wayarles sebagai penguat kuasa dengan frekuensi sehingga 100 GHz.Beberapa kes penggunaan utama ialah penguat kuasa stesen pangkalan selular, radar tentera, pemancar satelit dan penguatan RF tujuan am.Walau bagaimanapun, disebabkan oleh voltan tinggi (sehingga 1,000V), suhu tinggi dan pensuisan pantas, ia juga digabungkan ke dalam pelbagai aplikasi kuasa pensuisan seperti penukar DC-DC, penyongsang dan pengecas bateri.

transistor SiC

Transistor SiC ialah MOSFET jenis E semula jadi. Peranti ini boleh bertukar pada frekuensi sehingga 1 MHz, dengan tahap voltan dan arus jauh lebih tinggi daripada MOSFET silikon. Voltan sumber saliran maksimum adalah sehingga kira-kira 1,800 V dan kapasiti semasa ialah 100 amp. Di samping itu, peranti SiC mempunyai rintangan pada yang jauh lebih rendah daripada MOSFET silikon, menjadikannya lebih cekap tenaga dalam semua aplikasi bekalan kuasa pensuisan (reka bentuk SMPS). Kelemahan utama ialah mereka memerlukan voltan pemacu pintu yang lebih tinggi daripada MOSFET lain, tetapi dengan penambahbaikan dalam reka bentuk, ini bukan lagi kelemahan.

Peranti SiC memerlukan voltan get 18 hingga 20 volt untuk memandu melalui peranti dengan rintangan pada rendah. MOSFET Si standard memerlukan kurang daripada 10 volt get untuk konduktif sepenuhnya. Selain itu, peranti SiC memerlukan pemacu get -3 hingga -5 V untuk bertukar kepada keadaan mati. Walau bagaimanapun, ics pemandu pintu pagar khusus telah dibangunkan untuk memenuhi keperluan ini.MOSFET SiC biasanya lebih mahal daripada alternatif lain, tetapi voltan tinggi, keupayaan arus tinggi menjadikannya sangat sesuai untuk digunakan dalam litar kuasa automotif.

Persaingan untuk transistor WBG

Kedua-dua peranti GaN dan SiC bersaing dengan semikonduktor matang lain, terutamanya MOSFET LDMOS silikon, MOSFET simpang super dan IGBT. Dalam banyak aplikasi, peranti lama ini secara beransur-ansur digantikan oleh transistor GaN dan SiC. Sebagai contoh, IGBT sedang digantikan oleh peranti SiC dalam banyak aplikasi. Peranti SiC boleh dihidupkan dan dimatikan pada frekuensi yang lebih tinggi (100 KHZ + lwn. 20 KHZ), membolehkan saiz dan kos mana-mana induktor atau pengubah dikurangkan sambil meningkatkan kecekapan tenaga. Di samping itu, SiC boleh mengendalikan arus yang lebih besar daripada GaN.

Untuk meringkaskan perbandingan antara GaN dan SiC, berikut ialah sorotan:

GaN bertukar lebih cepat daripada Si.

SiC mempunyai voltan operasi yang lebih tinggi daripada GaN.

SiC memerlukan voltan pemacu pintu tinggi.

MOSFET Superjunction secara beransur-ansur digantikan oleh GaN dan SiC. SiC nampaknya menjadi kegemaran untuk pengecas dalam kereta (OBC). Trend ini tidak syak lagi akan berterusan apabila jurutera menemui peranti yang lebih baharu dan memperoleh pengalaman menggunakannya.

Aplikasi Automotif

Banyak litar kuasa dan peranti untuk aplikasi automotif boleh diperbaiki dengan reka bentuk GaN dan SiC. Salah satu penerima manfaat terbesar ialah sistem elektrik automotif. Kenderaan elektrik hibrid dan tulen moden mengandungi peranti yang boleh menggunakan peranti ini. Beberapa aplikasi popular ini ialah OBC, penukar DC-DC, pemacu motor dan radar laser (LiDAR).

Penukar DC-DC. Ini adalah litar bekalan kuasa yang menukar voltan bateri tinggi kepada voltan yang lebih rendah untuk menjalankan peralatan elektrik lain. Julat voltan bateri semasa adalah setinggi 600 atau 900 volt. Penukar DC-DC mengurangkannya kepada sama ada 48 volt atau 12 volt, atau kedua-duanya, untuk pengendalian komponen elektronik lain. Dalam kenderaan elektrik hibrid dan kenderaan elektrik (HEVEV), DC-DC juga boleh digunakan sebagai bas voltan tinggi antara pek bateri dan penyongsang.

Pengecas Kereta (OBCs). HEVEV dan EV pemalam termasuk pengecas bateri dalaman yang boleh disambungkan kepada bekalan kuasa AC. Ini membolehkan pengecasan di rumah tanpa memerlukan pengecas luaran AC− DC .

Pemandu motor pemacu utama. Motor pemacu utama ialah motor AC keluaran tinggi yang memacu roda kenderaan. Pemacu adalah penyongsang yang menukar voltan bateri kepada arus ulang-alik tiga fasa untuk membuat motor berjalan.

LiDAR. LiDAR merujuk kepada teknologi yang menggabungkan kaedah cahaya dan radar untuk mengesan dan mengenal pasti objek sekeliling. Ia mengimbas kawasan 360 darjah dengan laser inframerah berdenyut dan mengesan cahaya yang dipantulkan. Maklumat ini diterjemahkan ke dalam imej tiga dimensi terperinci pada jarak kira-kira 300 meter, dengan resolusi beberapa sentimeter. Peleraian tingginya menjadikannya penderia yang ideal untuk kenderaan, terutamanya pemanduan autonomi, untuk meningkatkan pengecaman objek berdekatan. Peranti LiDAR beroperasi dalam julat voltan DC 12-24 volt, yang diperoleh daripada penukar DC-DC. Oleh kerana transistor GaN dan SiC dicirikan oleh voltan tinggi, arus tinggi dan pensuisan pantas, mereka menyediakan pereka elektrik automotif dengan reka bentuk yang fleksibel dan ringkas serta prestasi unggul.

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. LTD. ialah sebuah perusahaan moden dalam bidang set seramik maju R&D, pembuatan dan jualan sebagai satu, terutamanya menghasilkan seramik berliang, alumina, zirkonia, silikon nitrida, silikon karbida, aluminium nitrida, seramik dielektrik gelombang mikro dan bahan seramik termaju yang lain. pakar teknologi Jepun yang dijemput khas kami mempunyai lebih daripada 30 tahun pengalaman industri dalam bidang semikonduktor, dengan cekap menyediakan penyelesaian aplikasi seramik khas dengan rintangan haus, rintangan kakisan, rintangan suhu tinggi, kekonduksian haba yang tinggi, penebat untuk pelanggan domestik dan asing.