Wat is het verschil tussen galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC)?

Silicium domineert al tientallen jaren de transistorwereld. Maar dat is aan het veranderen. Er zijn samengestelde halfgeleiders ontwikkeld die uit twee of drie materialen bestaan ​​en die unieke voordelen en superieure eigenschappen bieden. Met samengestelde halfgeleiders hebben we bijvoorbeeld lichtemitterende diodes (leds) ontwikkeld. Eén type bestaat uit galliumarsenide (GaAs) en galliumfosforarsenide (GaAsP). Anderen gebruiken indium en fosfor. Het probleem is dat samengestelde halfgeleiders moeilijker te maken en duurder zijn. Ze hebben echter aanzienlijke voordelen ten opzichte van silicium. Nieuwe en veeleisender toepassingen, zoals elektrische systemen voor auto's en elektrische voertuigen (EV's), hebben ontdekt dat samengestelde halfgeleiders beter aan hun strenge specificaties voldoen.

Twee samengestelde halfgeleiderapparaten, galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) vermogenstransistoren, zijn als schema naar voren gekomen. Deze apparaten concurreren met transversaal diffuse metaaloxide halfgeleider (LDMOS) MOSFET's en super-junction MOSFET's met een lange levensduur. GaN- en SiC-apparaten lijken in sommige opzichten op elkaar, maar er zijn ook aanzienlijke verschillen. Dit artikel vergelijkt de twee en geeft enkele voorbeelden om u te helpen beslissen over uw volgende ontwerp.

Halfgeleider met brede bandafstand

Samengestelde halfgeleiders staan ​​bekend als Wide Band Gap (WBG)-apparaten. Laten we, afgezien van roosterstructuren, energieniveaus en andere verbluffende halfgeleiderfysica, zeggen dat de definitie van WBG een model is dat probeert te beschrijven hoe stroom (elektronen) in een samengestelde halfgeleider stroomt. WBG-samengestelde halfgeleiders hebben een hogere elektronenmobiliteit en een hogere bandgap-energie, wat zich vertaalt in eigenschappen die superieur zijn aan die van silicium. Transistors gemaakt van WBG-compound-halfgeleiders hebben een hogere doorslagspanning en tolerantie voor hoge temperaturen. Deze apparaten bieden voordelen ten opzichte van silicium bij toepassingen met hoge spanning en hoog vermogen.

WBG-transistoren schakelen ook sneller dan silicium, waardoor ze op hogere frequenties kunnen werken. Een lagere "aan"-weerstand betekent dat ze minder stroom verbruiken, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Deze unieke combinatie van kenmerken maakt deze apparaten aantrekkelijk voor enkele van de meest veeleisende circuits in automobieltoepassingen, vooral hybride en elektrische voertuigen. GaN- en SiC-transistors komen steeds meer beschikbaar om de uitdagingen van elektrische auto-apparatuur aan te gaan.

De belangrijkste verkoopargumenten van GaN- en SiC-apparaten zijn deze voordelen:

Hoogspanningsmogelijkheden, verkrijgbaar in 650 V-, 900 V- en 1200 V-apparaten.

Hogere schakelsnelheid.

Hogere bedrijfstemperatuur.

Lagere aan-weerstand, minimale vermogensdissipatie en hogere energie-efficiëntie.

GaN-transistors

Op het gebied van radiofrequentie (RF) vermogen bleken GaN-transistors vroege zakelijke kansen te bieden. De aard van het materiaal maakte de ontwikkeling mogelijk van veldeffecttransistors (FET's) in depletiemodus. FET's van het uitputtingstype (of D-type), bekend als pseudostate transistors met hoge elektronenmobiliteit (PHEMT's), zijn van nature "doorlopende" apparaten; Omdat er geen poortbesturingsingang is, is er een natuurlijk geleidingskanaal. Het poortingangssignaal regelt het in-, aan- en uitschakelen van het kanaal van het apparaat.

Omdat bij schakeltoepassingen doorgaans de voorkeur wordt gegeven aan "uit" verbeterde (of E-type) apparaten, heeft dit geleid tot de ontwikkeling van E-type GaN-apparaten. De eerste is een cascade van twee FET-apparaten (Figuur 2). Nu zijn standaard E-type GaN-apparaten beschikbaar. Ze kunnen worden in- en uitgeschakeld op frequenties tot 10 megahertz, met een vermogen van tientallen kilowatts.

GaN-apparaten worden veel gebruikt in draadloze apparaten als eindversterkers met frequenties tot 100 GHz.Enkele van de belangrijkste toepassingen zijn vermogensversterkers voor mobiele basisstations, militaire radar, satellietzenders en algemene RF-versterking.Vanwege de hoge spanning (tot 1.000 V), de hoge temperatuur en het snelle schakelen worden ze echter ook ingebouwd in diverse schakelstroomtoepassingen zoals DC-DC-converters, omvormers en acculaders.

SiC-transistoren

SiC-transistors zijn natuurlijke MOSFET's van het E-type. Deze apparaten kunnen schakelen op frequenties tot 1 MHz, met spannings- en stroomniveaus die veel hoger zijn dan die van silicium-MOSFET's. De maximale drain-source-spanning bedraagt ​​maximaal ongeveer 1.800 V en de stroomcapaciteit is 100 ampère. Bovendien hebben SiC-apparaten een veel lagere aan-weerstand dan silicium-MOSFET's, waardoor ze energiezuiniger zijn in alle schakelende voedingstoepassingen (SMPS-ontwerpen). Een belangrijk nadeel is dat ze een hogere poortaandrijfspanning vereisen dan andere MOSFET's, maar dankzij verbeteringen in het ontwerp is dit niet langer een nadeel.

SiC-apparaten hebben poortspanningen van 18 tot 20 volt nodig om apparaten met een lage aan-weerstand te kunnen doorsturen. Standaard Si MOSFET's hebben minder dan 10 volt poort nodig om volledig geleidend te zijn. Bovendien hebben SiC-apparaten een poortaandrijving van -3 tot -5 V nodig om naar de uit-status te schakelen. Om aan deze behoefte te voldoen, zijn er echter speciale poortdriver-ics ontwikkeld.SiC-MOSFET's zijn over het algemeen duurder dan andere alternatieven, maar hun mogelijkheden voor hoge spanning en hoge stroom maken ze zeer geschikt voor gebruik in stroomcircuits in auto's.

Concurrentie voor WBG-transistors

Zowel GaN- als SiC-apparaten concurreren met andere volwassen halfgeleiders, vooral silicium LDMOS MOSFET's, superjunctie-MOSFET's en IGBT's. In veel toepassingen worden deze oudere apparaten geleidelijk vervangen door GaN- en SiC-transistors. IGBT's worden bijvoorbeeld in veel toepassingen vervangen door SiC-apparaten. SiC-apparaten kunnen worden in- en uitgeschakeld op hogere frequenties (100 KHZ + vs. 20 KHZ), waardoor de omvang en de kosten van elke inductor of transformator kunnen worden verminderd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Bovendien kan SiC veel grotere stromen aan dan GaN.

Om de vergelijking tussen GaN en SiC samen te vatten, zijn hier de hoogtepunten:

GaN schakelt sneller dan Si.

SiC heeft een hogere bedrijfsspanning dan GaN.

SiC vereist een hoge poortaandrijfspanning.

Superjunction-MOSFET's worden geleidelijk vervangen door GaN en SiC. SiC lijkt een favoriet te zijn voor autoladers (OBC's). Deze trend zal zich ongetwijfeld voortzetten naarmate ingenieurs nieuwere apparaten ontdekken en ervaring opdoen met het gebruik ervan.

Automotive-toepassingen

Veel stroomcircuits en apparaten voor automobieltoepassingen kunnen worden verbeterd door GaN- en SiC-ontwerp. Een van de grootste begunstigden zijn elektrische systemen voor auto's. Moderne hybride en puur elektrische voertuigen bevatten apparaten die deze apparaten kunnen gebruiken. Enkele van deze populaire toepassingen zijn OBC, DC-DC-converters, motordrivers en laserradar (LiDAR).

DC-DC-omzetter. Dit is een voedingscircuit dat een hoge accuspanning omzet in een lagere spanning om andere elektrische apparatuur te laten werken. Het huidige accuspanningsbereik bedraagt ​​maar liefst 600 of 900 volt. De DC-DC-omzetter reduceert deze tot 48 volt of 12 volt, of beide, voor de werking van andere elektronische componenten. Bij hybride elektrische voertuigen en elektrische voertuigen (HEVEV’s) kan DC-DC ook gebruikt worden als hoogspanningsbus tussen het accupakket en de omvormer.

Autolader (OBC's). Plug-in HEVEV's en EV's bevatten een interne batterijlader die kan worden aangesloten op een wisselstroomvoeding. Hierdoor kunt u thuis opladen zonder dat u een externe AC-DC-lader nodig heeft.

Hoofdaandrijving motorbestuurder. De hoofdaandrijfmotor is een wisselstroommotor met hoog vermogen die de wielen van het voertuig aandrijft. De driver is een omvormer die de accuspanning omzet in driefasige wisselstroom om de motor te laten draaien.

LiDAR. LiDAR verwijst naar een technologie die licht- en radarmethoden combineert om omringende objecten te detecteren en identificeren. Het scant een gebied van 360 graden met een gepulseerde infraroodlaser en detecteert het gereflecteerde licht. Deze informatie wordt vertaald naar gedetailleerde driedimensionale beelden op een afstand van ongeveer 300 meter, met een resolutie van enkele centimeters. De hoge resolutie maakt het een ideale sensor voor voertuigen, vooral voor autonoom rijden, om de herkenning van objecten in de buurt te verbeteren. LiDAR-apparaten werken in het gelijkspanningsbereik van 12-24 volt, dat is afgeleid van een DC-DC-omzetter. Omdat GaN- en SiC-transistoren worden gekenmerkt door hoge spanning, hoge stroomsterkte en snelle schakeling, bieden ze elektrische ontwerpers van auto's flexibele en eenvoudigere ontwerpen en superieure prestaties.

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. LTD. is een moderne onderneming op het gebied van geavanceerde keramiek, R&D, productie en verkoop als één, produceert voornamelijk poreuze keramiek, aluminiumoxide, zirkoniumoxide, siliciumnitride, siliciumcarbide, aluminiumnitride, diëlektrische microgolfkeramiek en andere geavanceerde keramische materialen. onze speciaal uitgenodigde Japanse technologie-expert heeft meer dan 30 jaar industriële ervaring op het gebied van halfgeleiders en biedt op efficiënte wijze speciale keramische toepassingsoplossingen met slijtvastheid, corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid en isolatie voor binnenlandse en buitenlandse klanten.