การใช้งานซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แตกต่างกันอย่างไร - เวเทค เซมิคอนดักเตอร์

ซิซีและกานเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำ bandgap แบบกว้าง" (WBG) เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ใช้ อุปกรณ์ WBG มีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. สารกึ่งตัวนำแบบวงกว้าง

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)มีความคล้ายคลึงกันในแง่ของ bandgap และฟิลด์สลาย Bandgap ของแกลเลียมไนไตรด์คือ 3.2 eV ในขณะที่ bandgap ของซิลิคอนคาร์ไบด์คือ 3.4 eV แม้ว่าค่าเหล่านี้จะดูคล้ายกัน แต่ก็สูงกว่า bandgap ของซิลิคอนอย่างมีนัยสำคัญ Bandgap ของซิลิคอนมีค่าเพียง 1.1 eV ซึ่งน้อยกว่าของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ถึงสามเท่า แถบความถี่ที่สูงกว่าของสารประกอบเหล่านี้ทำให้แกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถรองรับวงจรไฟฟ้าแรงสูงได้อย่างสะดวกสบาย แต่ไม่สามารถรองรับวงจรไฟฟ้าแรงต่ำเช่นซิลิคอนได้

2. ความแรงของสนามพังทลาย

สนามสลายตัวของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ค่อนข้างคล้ายกัน โดยแกลเลียมไนไตรด์มีสนามสลาย 3.3 MV/ซม. และซิลิคอนคาร์ไบด์มีสนามสลาย 3.5 MV/ซม. ช่องแยกย่อยเหล่านี้ช่วยให้สารประกอบสามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ดีกว่าซิลิคอนทั่วไปอย่างมาก ซิลิคอนมีสนามพังทลายที่ 0.3 MV/cm ซึ่งหมายความว่า GaN และ SiC สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้เกือบสิบเท่า นอกจากนี้ยังสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าโดยใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงอย่างมาก

3. ทรานซิสเตอร์เคลื่อนที่อิเล็กตรอนสูง (HEMT)

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่าง GaN และ SiC คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้เร็วแค่ไหน ประการแรก ซิลิคอนมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 1,500 cm^2/Vs GaN มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 2,000 cm^2/Vs ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วกว่าอิเล็กตรอนของซิลิคอนมากกว่า 30% อย่างไรก็ตาม SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 650 cm^2/Vs ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนของ SiC เคลื่อนที่ช้ากว่าอิเล็กตรอนของ GaN และ Si ด้วยความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่สูงเช่นนี้ GaN จึงมีความสามารถในการใช้งานความถี่สูงได้มากกว่าเกือบสามเท่า อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านเซมิคอนดักเตอร์ GaN ได้เร็วกว่า SiC มาก

4. การนำความร้อนของ GaN และ ซิซี

ค่าการนำความร้อนของวัสดุคือความสามารถในการถ่ายเทความร้อนผ่านตัวมันเอง การนำความร้อนส่งผลโดยตรงต่ออุณหภูมิของวัสดุ โดยพิจารณาจากสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน ในการใช้งานที่มีกำลังไฟสูง ความไร้ประสิทธิภาพของวัสดุจะทำให้เกิดความร้อน ซึ่งทำให้อุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้น และต่อมาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุก็เปลี่ยนแปลงไป GaN มีค่าการนำความร้อน 1.3 W/cmK ซึ่งจริงๆ แล้วแย่กว่าซิลิคอนซึ่งมีค่าการนำความร้อน 1.5 W/cmK อย่างไรก็ตาม SiC มีค่าการนำความร้อนที่ 5 W/cmK ทำให้ถ่ายโอนภาระความร้อนได้ดีขึ้นเกือบสามเท่า คุณสมบัตินี้ทำให้ SiC มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการใช้งานที่ใช้พลังงานสูงและอุณหภูมิสูง

5. กระบวนการผลิตเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์

กระบวนการผลิตในปัจจุบันเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับ GaN และ SiC เนื่องจากมีราคาแพงกว่า แม่นยำน้อยกว่า หรือใช้พลังงานมากกว่ากระบวนการผลิตซิลิคอนที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ตัวอย่างเช่น GaN มีข้อบกพร่องของคริสตัลจำนวนมากในพื้นที่เล็กๆ ในทางกลับกัน ซิลิคอนสามารถมีข้อบกพร่องได้เพียง 100 รายการต่อตารางเซนติเมตร แน่นอนว่าอัตราข้อบกพร่องขนาดใหญ่นี้ทำให้ GaN ไม่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่ผู้ผลิตมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา GaN ยังคงดิ้นรนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่เข้มงวด

6. ตลาดเซมิคอนดักเตอร์กำลัง

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน เทคโนโลยีการผลิตในปัจจุบันจำกัดความคุ้มทุนของแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้วัสดุกำลังสูงทั้งสองมีราคาแพงกว่าในระยะสั้น อย่างไรก็ตาม วัสดุทั้งสองมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์เฉพาะ

ซิลิคอนคาร์ไบด์อาจเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในระยะสั้น เนื่องจากสามารถผลิตเวเฟอร์ SiC ที่มีขนาดใหญ่กว่าและสม่ำเสมอได้ง่ายกว่าแกลเลียมไนไตรด์ เมื่อเวลาผ่านไป แกลเลียมไนไตรด์จะพบได้ในผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กและมีความถี่สูง เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะสูงขึ้น ซิลิคอนคาร์ไบด์จะเป็นที่ต้องการมากกว่าในผลิตภัณฑ์พลังงานขนาดใหญ่ เนื่องจากความสามารถด้านพลังงานของมันสูงกว่าค่าการนำความร้อนของแกลเลียมไนไตรด์

แกลเลียมไนไตรด์อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์แข่งขันกับ MOSFET ซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์ (LDMOS) และ MOSFET ซุปเปอร์จังค์ชัน อุปกรณ์ GaN และ SiC มีความคล้ายคลึงกันในบางด้าน แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญเช่นกัน

รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าแรงสูง กระแสสูง ความถี่สวิตชิ่ง และพื้นที่การใช้งานหลัก

สารกึ่งตัวนำแบบ Bandgap แบบไวด์

เซมิคอนดักเตอร์แบบผสม WBG มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่าและมีพลังงานแบนด์แกปที่สูงกว่า ซึ่งแปลเป็นคุณสมบัติที่เหนือกว่าซิลิคอน ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์ผสม WBG มีแรงดันพังทลายที่สูงกว่าและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง

รูปที่ 2 วงจรคาสเคด dual-die dual-FET จะแปลงทรานซิสเตอร์ GaN ให้เป็นอุปกรณ์ปิดตามปกติ ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานโหมดเพิ่มประสิทธิภาพมาตรฐานในวงจรสวิตชิ่งกำลังสูงได้

ทรานซิสเตอร์ WBG ยังเปลี่ยนได้เร็วกว่าซิลิคอนและสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าได้ ความต้านทาน “เปิด” ที่ต่ำลงหมายความว่าจะกระจายพลังงานน้อยลง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน การผสมผสานลักษณะเฉพาะที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้น่าสนใจสำหรับวงจรที่มีความต้องการมากที่สุดในการใช้งานด้านยานยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC เพื่อตอบสนองความท้าทายในอุปกรณ์ไฟฟ้าของยานยนต์

ประโยชน์หลักของอุปกรณ์ GaN และ SiC: ความสามารถด้านไฟฟ้าแรงสูงพร้อมอุปกรณ์ 650 V, 900 V และ 1200 V

ซิลิคอนคาร์ไบด์:

สูงกว่า 1700V.3300V และ 6500V

ความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้น

อุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้น

ความต้านทานต่ำ การกระจายพลังงานน้อยที่สุด และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น

อุปกรณ์กาน

ในการสลับแอปพลิเคชัน แนะนำให้ใช้อุปกรณ์โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ (หรือโหมด E) ซึ่งโดยปกติจะ "ปิด" ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ GaN โหมด E อันดับแรกคือน้ำตกของอุปกรณ์ FET สองตัว (รูปที่ 2) ขณะนี้มีอุปกรณ์ GaN แบบ e-mode มาตรฐานแล้ว สามารถเปลี่ยนที่ความถี่สูงถึง 10 MHz และระดับพลังงานสูงถึงสิบกิโลวัตต์

อุปกรณ์ GaN ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไร้สายเป็นเครื่องขยายกำลังที่ความถี่สูงถึง 100 GHz กรณีการใช้งานหลักบางส่วน ได้แก่ เครื่องขยายสัญญาณเสียงสถานีฐานโทรศัพท์มือถือ เรดาร์ทหาร เครื่องส่งผ่านดาวเทียม และเครื่องขยายสัญญาณ RF ทั่วไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไฟฟ้าแรงสูง (สูงถึง 1,000 V) อุณหภูมิสูง และการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว อุปกรณ์เหล่านี้จึงถูกรวมเข้ากับแอปพลิเคชันพลังงานสวิตชิ่งต่างๆ เช่น ตัวแปลง DC-DC อินเวอร์เตอร์ และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่

อุปกรณ์ ซิซี

ทรานซิสเตอร์ SiC เป็น MOSFET โหมด E ตามธรรมชาติ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนที่ความถี่สูงถึง 1 MHz และที่ระดับแรงดันและกระแสสูงกว่าซิลิคอน MOSFET มาก แรงดันไฟฟ้าจากแหล่งเดรนสูงสุดถึงประมาณ 1,800 V และความสามารถกระแสไฟคือ 100 แอมป์ นอกจากนี้ อุปกรณ์ SiC ยังมีความต้านทานออนต่ำกว่า MOSFET แบบซิลิคอนมาก ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในแอปพลิเคชันการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั้งหมด (การออกแบบ SMPS)

อุปกรณ์ SiC ต้องใช้ไดรฟ์แรงดันไฟฟ้าเกตที่ 18 ถึง 20 โวลต์เพื่อเปิดอุปกรณ์ที่มีความต้านทานออนต่ำ Si MOSFET มาตรฐานต้องใช้ไฟน้อยกว่า 10 โวลต์ที่ประตูจึงจะเปิดได้เต็มที่ นอกจากนี้ อุปกรณ์ SiC จำเป็นต้องมีไดรฟ์เกต -3 ถึง -5 V เพื่อสลับเป็นสถานะปิด ความสามารถด้านไฟฟ้าแรงสูงและกระแสไฟสูงของ SiC MOSFET ทำให้เหมาะสำหรับวงจรกำลังของยานยนต์

ในหลายแอปพลิเคชัน IGBT จะถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ SiC อุปกรณ์ SiC สามารถเปลี่ยนที่ความถี่ที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยลดขนาดและต้นทุนของตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงไฟฟ้าไปพร้อมๆ กับการเพิ่มประสิทธิภาพ นอกจากนี้ SiC ยังสามารถรองรับกระแสที่สูงกว่า GaN ได้

มีการแข่งขันระหว่างอุปกรณ์ GaN และ SiC โดยเฉพาะ MOSFET LDMOS ซิลิคอน, MOSFET ซุปเปอร์จังค์ชัน และ IGBT ในการใช้งานหลายอย่าง ทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์

เพื่อสรุปการเปรียบเทียบ GaN กับ SiC นี่คือไฮไลท์:

กาน สลับเร็วกว่า Si

ซิซี ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า กาน

ซิซี ต้องการแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์เกตสูง

สามารถปรับปรุงวงจรและอุปกรณ์จ่ายไฟจำนวนมากได้โดยการออกแบบด้วย GaN และ SiC หนึ่งในผู้รับผลประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดคือระบบไฟฟ้าของยานยนต์ รถยนต์ไฮบริดและไฟฟ้าสมัยใหม่มีอุปกรณ์ที่สามารถใช้อุปกรณ์เหล่านี้ได้ แอปพลิเคชันยอดนิยมบางส่วน ได้แก่ OBC, ตัวแปลง DC-DC, มอเตอร์ไดรฟ์ และ LiDAR รูปที่ 3 ชี้ให้เห็นถึงระบบย่อยหลักในรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องใช้ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งกำลังสูง

รูปที่ 3  ที่ชาร์จออนบอร์ด WBG (OBC) สำหรับรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า อินพุต AC ได้รับการแก้ไข แก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) จากนั้นจึงแปลง DC-DC

ตัวแปลงไฟ DC-DC- นี่คือวงจรไฟฟ้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่สูงเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ในปัจจุบันมีช่วงสูงถึง 600V หรือ 900V ตัวแปลง DC-DC ลดระดับลงเป็น 48V หรือ 12V หรือทั้งสองอย่าง สำหรับการทำงานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ (รูปที่ 3) ในยานพาหนะไฟฟ้าและไฟฟ้าไฮบริด (HEVEV) DC-DC ยังสามารถใช้เป็นบัสไฟฟ้าแรงสูงระหว่างชุดแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ได้

ที่ชาร์จออนบอร์ด (OBC)- Plug-in HEVEV และ EV มีเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ภายในที่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก AC ได้ ซึ่งช่วยให้ชาร์จที่บ้านได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องชาร์จ AC−DC ภายนอก (รูปที่ 4)

ตัวขับมอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก- มอเตอร์ขับเคลื่อนหลักคือมอเตอร์กระแสสลับกำลังสูงที่ขับเคลื่อนล้อรถ ไดรเวอร์คืออินเวอร์เตอร์ที่แปลงแรงดันแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเพื่อหมุนมอเตอร์

รูปที่ 4 ตัวแปลง DC-DC ทั่วไปใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่สูงเป็น 12 V และ/หรือ 48 V IGBT ที่ใช้ในบริดจ์ไฟฟ้าแรงสูงจะถูกแทนที่ด้วย SiC MOSFET

ทรานซิสเตอร์ GaN และ SiC ช่วยให้นักออกแบบระบบไฟฟ้าในยานยนต์มีความยืดหยุ่นและการออกแบบที่เรียบง่ายกว่า ตลอดจนประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเนื่องจากคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟฟ้าสูง และการสลับที่รวดเร็ว

VeTek Semiconductor เป็นผู้ผลิตมืออาชีพของจีนการเคลือบแทนทาลัมคาร์ไบด์, การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์, สินค้ากาน, กราไฟท์พิเศษ, เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ- VeTek Semiconductor มุ่งมั่นที่จะนำเสนอโซลูชั่นขั้นสูงสำหรับผลิตภัณฑ์การเคลือบต่างๆ สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

ม็อบ/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

อีเมล์: anny@veteksemi.com