อะไรคือความแตกต่างระหว่างแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)?

ซิลิคอนครองโลกของทรานซิสเตอร์มานานหลายทศวรรษ แต่นั่นกำลังเปลี่ยนแปลง สารกึ่งตัวนำแบบผสมที่ประกอบด้วยวัสดุสองหรือสามชนิดได้รับการพัฒนาขึ้นซึ่งมีข้อดีเฉพาะตัวและคุณสมบัติที่เหนือกว่า ตัวอย่างเช่น สำหรับสารกึ่งตัวนำแบบผสม เราได้พัฒนาไดโอดเปล่งแสง (ไฟ LED) ประเภทหนึ่งประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และแกลเลียมฟอสฟอรัสอาร์เซไนด์ (GaAsP) บ้างก็ใช้อินเดียมและฟอสฟอรัส ปัญหาคือ สารกึ่งตัวนำแบบผสมนั้นผลิตได้ยากและมีราคาแพงกว่า อย่างไรก็ตาม พวกเขามีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนอย่างมาก การใช้งานใหม่ๆ ที่มีความต้องการมากขึ้น เช่น ระบบไฟฟ้าของยานยนต์และยานพาหนะไฟฟ้า (EV) พบว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบผสมมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดที่เข้มงวดได้ดีกว่า

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบผสมสองตัว ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และทรานซิสเตอร์กำลังซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้กลายเป็นโครงร่าง อุปกรณ์เหล่านี้แข่งขันกับ MOSFET เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (LDMOS) ที่กระจายกำลังตามขวางของซิลิคอนพลังงานที่มีอายุการใช้งานยาวนานและ MOSFET ทางแยกพิเศษ อุปกรณ์ GaN และ SiC มีความคล้ายคลึงกันในบางประเด็น แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญเช่นกัน บทความนี้จะเปรียบเทียบทั้งสองและให้ตัวอย่างเพื่อช่วยคุณตัดสินใจเกี่ยวกับการออกแบบครั้งต่อไป

สารกึ่งตัวนำแบนด์แกปแบบกว้าง

สารกึ่งตัวนำแบบผสมเรียกว่าอุปกรณ์ wide band gap (WBG) นอกเหนือจากโครงสร้างขัดแตะ ระดับพลังงาน และฟิสิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำให้ปวดหัวอื่นๆ แล้ว สมมติว่าคำจำกัดความของ WBG เป็นแบบจำลองที่พยายามอธิบายว่ากระแส (อิเล็กตรอน) ไหลในเซมิคอนดักเตอร์แบบผสมอย่างไร เซมิคอนดักเตอร์แบบผสมของ WBG มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่าและมีพลังงานแบนด์แกปที่สูงกว่า ซึ่งแปลเป็นคุณสมบัติที่เหนือกว่าซิลิคอน ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์ผสม WBG มีแรงดันพังทลายที่สูงกว่าและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและพลังงานสูง

ทรานซิสเตอร์ WBG ยังเปลี่ยนได้เร็วกว่าซิลิคอน ทำให้สามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าได้ ความต้านทาน "เปิด" ที่ต่ำลงหมายความว่าจะกระจายพลังงานน้อยลง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน การผสมผสานคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้น่าสนใจสำหรับวงจรที่มีความต้องการมากที่สุดในการใช้งานด้านยานยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC มีวางจำหน่ายแล้วเพื่อตอบสนองความท้าทายของอุปกรณ์ไฟฟ้าในยานยนต์

จุดขายหลักของอุปกรณ์ GaN และ SiC คือข้อดีเหล่านี้:

ความสามารถด้านไฟฟ้าแรงสูง มีจำหน่ายในอุปกรณ์ 650 V, 900 V และ 1200 V

ความเร็วในการเปลี่ยนเร็วขึ้น

อุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้น

ความต้านทานต่อไฟฟ้าลดลง การกระจายพลังงานขั้นต่ำ และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น

ทรานซิสเตอร์ GaN

ในด้านพลังงานความถี่วิทยุ (RF) พบว่าทรานซิสเตอร์ GaN มีโอกาสทางธุรกิจในช่วงแรก ลักษณะของวัสดุทำให้เกิดการพัฒนาทรานซิสเตอร์สนามผลโหมดพร่อง (FET) FET ประเภทพร่อง (หรือประเภท D) หรือที่เรียกว่า pseudostate high Electron Movement Transistor (PHEMTs) เป็นอุปกรณ์ "ที่กำลังดำเนินอยู่" โดยธรรมชาติ เนื่องจากไม่มีอินพุตควบคุมเกต จึงมีช่องการนำไฟฟ้าตามธรรมชาติ สัญญาณอินพุตเกตควบคุมการเปิด เปิด และปิดช่องสัญญาณของอุปกรณ์

เนื่องจากในการสลับแอปพลิเคชัน โดยปกติแล้วอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุง "ปิด" (หรือประเภท E) มักเป็นที่ต้องการ สิ่งนี้ได้นำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ GaN ประเภท E ประการแรกคือน้ำตกของอุปกรณ์ FET สองตัว (รูปที่ 2) ขณะนี้มีอุปกรณ์ GaN ประเภท E มาตรฐานแล้ว สามารถเปิดปิดได้ที่ความถี่สูงถึง 10 เมกะเฮิรตซ์ และมีกำลังหลายสิบกิโลวัตต์

อุปกรณ์ GaN ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไร้สายเป็นเครื่องขยายกำลังที่มีความถี่สูงถึง 100 GHzกรณีการใช้งานหลักบางส่วน ได้แก่ เครื่องขยายสัญญาณเสียงสถานีฐานโทรศัพท์มือถือ เรดาร์ทหาร เครื่องส่งผ่านดาวเทียม และเครื่องขยายสัญญาณ RF วัตถุประสงค์ทั่วไปอย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูง (สูงถึง 1,000V) อุณหภูมิสูง และการสลับที่รวดเร็ว อุปกรณ์เหล่านี้จึงถูกรวมเข้ากับแอปพลิเคชันพลังงานสวิตชิ่งต่างๆ เช่น ตัวแปลง DC-DC อินเวอร์เตอร์ และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่

ทรานซิสเตอร์ SiC

ทรานซิสเตอร์ SiC เป็น MOSFET ชนิด E ตามธรรมชาติ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถสลับที่ความถี่สูงถึง 1 MHz โดยมีระดับแรงดันและกระแสสูงกว่า MOSFET ซิลิคอนมาก แรงดันไฟฟ้าจากแหล่งเดรนสูงสุดถึงประมาณ 1,800 V และความจุกระแสไฟคือ 100 แอมป์ นอกจากนี้ อุปกรณ์ SiC ยังมีความต้านทานออนต่ำกว่า MOSFET แบบซิลิคอนมาก ทำให้ประหยัดพลังงานได้มากกว่าในแอปพลิเคชันจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั้งหมด (การออกแบบ SMPS) ข้อเสียเปรียบที่สำคัญคือต้องใช้แรงดันไฟฟ้าของเกตไดรฟ์ที่สูงกว่า MOSFET อื่นๆ แต่ด้วยการปรับปรุงด้านการออกแบบ นี่จึงไม่ใช่ข้อเสียเปรียบอีกต่อไป

อุปกรณ์ SiC ต้องการแรงดันเกตที่ 18 ถึง 20 โวลต์เพื่อขับเคลื่อนผ่านอุปกรณ์ที่มีความต้านทานออนต่ำ Si MOSFET มาตรฐานต้องใช้เกตน้อยกว่า 10 โวลต์จึงจะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้เต็มที่ นอกจากนี้ อุปกรณ์ SiC จำเป็นต้องมีไดรฟ์เกต -3 ถึง -5 V เพื่อสลับเป็นสถานะปิด อย่างไรก็ตาม ไอซีไดรเวอร์เกตเฉพาะได้รับการพัฒนาเพื่อตอบสนองความต้องการนี้โดยทั่วไป SiC MOSFET จะมีราคาแพงกว่าทางเลือกอื่น แต่ความสามารถด้านแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูง ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในวงจรไฟฟ้าของยานยนต์

การแข่งขันสำหรับทรานซิสเตอร์ WBG

ทั้งอุปกรณ์ GaN และ SiC แข่งขันกับเซมิคอนดักเตอร์ที่เติบโตเต็มที่อื่นๆ โดยเฉพาะซิลิคอน LDMOS MOSFET, Super Junction MOSFET และ IGBT ในการใช้งานหลายอย่าง อุปกรณ์รุ่นเก่าเหล่านี้จะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC ตัวอย่างเช่น IGBT ถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ SiC ในหลายแอปพลิเคชัน สามารถเปิดและปิดอุปกรณ์ SiC ได้ที่ความถี่สูงกว่า (100 KHZ + เทียบกับ 20 KHZ) ซึ่งช่วยให้ขนาดและราคาของตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงลดลงไปพร้อมๆ กับปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน นอกจากนี้ SiC ยังสามารถรองรับกระแสที่ใหญ่กว่า GaN ได้อีกด้วย

เพื่อสรุปการเปรียบเทียบระหว่าง GaN และ SiC นี่คือไฮไลท์:

GaN สลับเร็วกว่า Si

SiC มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงกว่า GaN

SiC ต้องการแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์เกตสูง

Superjunction MOSFET จะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วย GaN และ SiC ดูเหมือนว่า SiC จะเป็นที่ชื่นชอบสำหรับที่ชาร์จในรถยนต์ (OBC) แนวโน้มนี้จะดำเนินต่อไปอย่างไม่ต้องสงสัยเมื่อวิศวกรค้นพบอุปกรณ์รุ่นใหม่และได้รับประสบการณ์ในการใช้งาน

การใช้งานด้านยานยนต์

วงจรและอุปกรณ์กำลังจำนวนมากสำหรับการใช้งานในยานยนต์สามารถปรับปรุงได้โดยการออกแบบ GaN และ SiC หนึ่งในผู้รับผลประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดคือระบบไฟฟ้าของยานยนต์ รถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้าบริสุทธิ์สมัยใหม่มีอุปกรณ์ที่สามารถใช้อุปกรณ์เหล่านี้ได้ แอปพลิเคชันยอดนิยมบางส่วน ได้แก่ OBC, ตัวแปลง DC-DC, ไดรเวอร์มอเตอร์ และเรดาร์เลเซอร์ (LiDAR)

ตัวแปลงไฟ DC-DC นี่คือวงจรจ่ายไฟที่แปลงแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่สูงให้เป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ช่วงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ปัจจุบันสูงถึง 600 หรือ 900 โวลต์ ตัวแปลง DC-DC ลดแรงดันไฟฟ้าลงเหลือ 48 โวลต์หรือ 12 โวลต์ หรือทั้งสองอย่าง สำหรับการทำงานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า (HEVEV) DC-DC ยังสามารถใช้เป็นบัสไฟฟ้าแรงสูงระหว่างชุดแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ได้

ที่ชาร์จแบตในรถ (OBC) Plug-in HEVEV และ EV มีเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ภายในที่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ AC ได้ ทำให้สามารถชาร์จที่บ้านได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องชาร์จ AC− DC ภายนอก

ตัวขับมอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก มอเตอร์ขับเคลื่อนหลักคือมอเตอร์ AC เอาท์พุตสูงที่ขับเคลื่อนล้อของยานพาหนะ ไดรเวอร์คืออินเวอร์เตอร์ที่แปลงแรงดันแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเพื่อให้มอเตอร์ทำงาน

ลิดาร์. LiDAR หมายถึงเทคโนโลยีที่ผสมผสานวิธีการใช้แสงและเรดาร์เพื่อตรวจจับและระบุวัตถุโดยรอบ โดยจะสแกนพื้นที่ 360 องศาด้วยเลเซอร์อินฟราเรดแบบพัลซ์ และตรวจจับแสงสะท้อน ข้อมูลนี้จะถูกแปลเป็นภาพสามมิติที่มีรายละเอียดในระยะประมาณ 300 เมตร โดยมีความละเอียดไม่กี่เซนติเมตร ความละเอียดสูงทำให้เป็นเซ็นเซอร์ในอุดมคติสำหรับรถยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขับขี่แบบอัตโนมัติ เพื่อปรับปรุงการจดจำวัตถุในบริเวณใกล้เคียง อุปกรณ์ LiDAR ทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้า DC 12-24 โวลต์ ซึ่งได้มาจากตัวแปลง DC-DC เนื่องจากทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC มีลักษณะเฉพาะด้วยไฟฟ้าแรงสูง กระแสไฟฟ้าสูง และการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบระบบไฟฟ้าในยานยนต์มีการออกแบบที่ยืดหยุ่นและเรียบง่ายกว่า พร้อมประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. บจก. เป็นองค์กรที่ทันสมัยในด้านการวิจัยและพัฒนาชุดเซรามิกขั้นสูง การผลิตและการขายเป็นหนึ่ง ส่วนใหญ่ผลิตเซรามิกที่มีรูพรุน อลูมินา เซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ อลูมิเนียมไนไตรด์ เซรามิกไดอิเล็กทริกไมโครเวฟ และวัสดุเซรามิกขั้นสูงอื่น ๆ ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีจากญี่ปุ่นที่ได้รับเชิญเป็นพิเศษของเรามีประสบการณ์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 30 ปี ให้บริการโซลูชั่นการใช้งานเซรามิกพิเศษได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่ออุณหภูมิสูง ค่าการนำความร้อนสูง เป็นฉนวนสำหรับลูกค้าในประเทศและต่างประเทศ