सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) ऍप्लिकेशन्समध्ये काय फरक आहे? - VeTek सेमीकंडक्टर

SicआणिGaN"वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर" (डब्ल्यूबीजी) म्हणून संबोधले जाते. वापरलेल्या उत्पादन प्रक्रियेमुळे, डब्ल्यूबीजी डिव्हाइस खालील फायदे दर्शवितात:

1. वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर

गॅलियम नायट्राइड (जीएएन)आणिसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)बँडगॅप आणि ब्रेकडाउन फील्डच्या बाबतीत तुलनेने समान आहेत. गॅलियम नायट्राइडचा बँडगॅप 3.2 ईव्ही आहे, तर सिलिकॉन कार्बाईडचा बँडगॅप 3.4 ईव्ही आहे. जरी ही मूल्ये समान दिसत असली तरी ती सिलिकॉनच्या बँडगॅपपेक्षा लक्षणीय जास्त आहेत. सिलिकॉनचा बॅन्डगॅप फक्त 1.1 ईव्ही आहे, जो गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाईडपेक्षा तीन पट लहान आहे. या संयुगेचे उच्च बँडगॅप्स गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाईडला आरामात उच्च व्होल्टेज सर्किट्सचे समर्थन करण्यास परवानगी देतात, परंतु ते सिलिकॉन सारख्या कमी व्होल्टेज सर्किटला समर्थन देऊ शकत नाहीत.

2. ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ

गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाईडचे ब्रेकडाउन फील्ड तुलनेने समान आहेत, गॅलियम नायट्राइडचे ब्रेकडाउन 3.3 एमव्ही/सेमी आणि सिलिकॉन कार्बाईडचे ब्रेकडाउन फील्ड 3.5 एमव्ही/सेमी आहे. हे ब्रेकडाउन फील्ड नियमित सिलिकॉनपेक्षा अधिक चांगले व्होल्टेज हाताळण्यास यौगिकांना परवानगी देतात. सिलिकॉनचे ब्रेकडाउन फील्ड 0.3 एमव्ही/सेमी आहे, ज्याचा अर्थ असा आहे की गॅन आणि एसआयसी उच्च व्होल्टेज टिकवून ठेवण्यास जवळजवळ दहापट अधिक सक्षम आहेत. ते लक्षणीय लहान डिव्हाइस वापरुन कमी व्होल्टेजचे समर्थन करण्यास सक्षम आहेत.

3. उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रान्झिस्टर (एचईएमटी)

GaN आणि SiC मधील सर्वात महत्त्वाचा फरक म्हणजे त्यांची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, जे सेमीकंडक्टर सामग्रीमधून इलेक्ट्रॉन किती वेगाने फिरतात हे सूचित करते. प्रथम, सिलिकॉनची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 1500 सेमी^2/Vs आहे. GaN ची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 2000 cm^2/Vs आहे, याचा अर्थ इलेक्ट्रॉन सिलिकॉनच्या इलेक्ट्रॉनपेक्षा 30% पेक्षा जास्त वेगाने फिरतात. तथापि, SiC ची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 650 cm^2/Vs आहे, याचा अर्थ SiC चे इलेक्ट्रॉन GaN आणि Si च्या इलेक्ट्रॉनपेक्षा हळू चालतात. अशा उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलतेसह, उच्च-फ्रिक्वेंसी अनुप्रयोगांसाठी GaN जवळजवळ तीनपट अधिक सक्षम आहे. इलेक्ट्रॉन्स GaN सेमीकंडक्टरमधून SiC पेक्षा खूप वेगाने जाऊ शकतात.

4. गॅन आणि एसआयसीची थर्मल चालकता

सामग्रीची थर्मल चालकता स्वतःच उष्णता हस्तांतरित करण्याची क्षमता आहे. थर्मल चालकता ज्या वातावरणात वापरली जाते त्या वातावरणास, सामग्रीच्या तपमानावर थेट परिणाम करते. उच्च-शक्तीच्या अनुप्रयोगांमध्ये, सामग्रीची अकार्यक्षमता उष्णता निर्माण करते, ज्यामुळे सामग्रीचे तापमान वाढते आणि त्यानंतर त्याचे विद्युत गुणधर्म बदलतात. जीएएनची थर्मल चालकता 1.3 डब्ल्यू/सीएमके आहे, जी सिलिकॉनपेक्षा खरोखर वाईट आहे, ज्याची चालकता 1.5 डब्ल्यू/सीएमके आहे. तथापि, एसआयसीमध्ये 5 डब्ल्यू/सीएमकेची औष्णिक चालकता आहे, ज्यामुळे उष्णता भार हस्तांतरित करण्यात सुमारे तीनपट चांगले होते. ही मालमत्ता उच्च-शक्ती, उच्च-तापमान अनुप्रयोगांमध्ये एसआयसीला अत्यंत फायदेशीर बनवते.

5. सेमीकंडक्टर वेफर उत्पादन प्रक्रिया

सध्याच्या उत्पादन प्रक्रिया जीएएन आणि एसआयसीसाठी मर्यादित घटक आहेत कारण ते मोठ्या प्रमाणात दत्तक घेतलेल्या सिलिकॉन मॅन्युफॅक्चरिंग प्रक्रियेपेक्षा अधिक महाग, कमी तंतोतंत किंवा अधिक ऊर्जा-केंद्रित आहेत. उदाहरणार्थ, गॅनमध्ये एका लहान क्षेत्रावर मोठ्या संख्येने क्रिस्टल दोष असतात. दुसरीकडे, सिलिकॉनमध्ये प्रति चौरस सेंटीमीटर केवळ 100 दोष असू शकतात. अर्थात, हा प्रचंड दोष दर GAN अकार्यक्षम होतो. अलिकडच्या वर्षांत उत्पादकांनी उत्कृष्ट प्रगती केली आहे, तर गॅन अद्याप कठोर सेमीकंडक्टर डिझाइन आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी धडपडत आहे.

6. पॉवर सेमीकंडक्टर मार्केट

सिलिकॉनच्या तुलनेत, सध्याचे उत्पादन तंत्रज्ञान गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाईडची किंमत-प्रभावीपणा मर्यादित करते, ज्यामुळे दोन्ही उच्च-शक्ती सामग्री अल्पावधीत अधिक महाग होते. तथापि, विशिष्ट सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगांमध्ये दोन्ही सामग्रीचे मजबूत फायदे आहेत.

सिलिकॉन कार्बाइड हे अल्पावधीत अधिक प्रभावी उत्पादन असू शकते कारण गॅलियम नायट्राइडपेक्षा मोठे आणि अधिक एकसमान SiC वेफर्स तयार करणे सोपे आहे. कालांतराने, गॅलियम नायट्राइड त्याच्या उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलतेमुळे लहान, उच्च-फ्रिक्वेंसी उत्पादनांमध्ये त्याचे स्थान शोधेल. सिलिकॉन कार्बाइड मोठ्या उर्जा उत्पादनांमध्ये अधिक वांछनीय असेल कारण त्याची उर्जा क्षमता गॅलियम नायट्राइडच्या थर्मल चालकतेपेक्षा जास्त आहे.

गॅलियम नायट्राइड एd सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे सिलिकॉन सेमीकंडक्टर (LDMOS) MOSFET आणि सुपरजंक्शन MOSFETs शी स्पर्धा करतात. GaN आणि SiC साधने काही मार्गांनी सारखीच आहेत, परंतु लक्षणीय फरक देखील आहेत.

आकृती 1. उच्च व्होल्टेज, उच्च प्रवाह, स्विचिंग वारंवारता आणि मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्रांमधील संबंध.

वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर

डब्ल्यूबीजी कंपाऊंड सेमीकंडक्टर्समध्ये जास्त इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आणि उच्च बँडगॅप ऊर्जा असते, जी सिलिकॉनपेक्षा उत्कृष्ट गुणधर्मांमध्ये अनुवादित करते. डब्ल्यूबीजी कंपाऊंड सेमीकंडक्टरपासून बनविलेले ट्रान्झिस्टरमध्ये ब्रेकडाउन व्होल्टेज जास्त आहेत आणि उच्च तापमानात सहनशीलता आहे. हे डिव्हाइस उच्च-व्होल्टेज आणि उच्च-शक्ती अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉनवर फायदे देतात.

आकृती 2. ड्युअल-डाय ड्युअल-एफईटी कॅस्केड सर्किट GaN ट्रान्झिस्टरला सामान्यपणे बंद केलेल्या उपकरणात रूपांतरित करते, उच्च-पॉवर स्विचिंग सर्किट्समध्ये मानक वर्धित-मोड ऑपरेशन सक्षम करते.

WBG ट्रान्झिस्टर देखील सिलिकॉनपेक्षा वेगाने स्विच करतात आणि उच्च फ्रिक्वेन्सीवर ऑपरेट करू शकतात. कमी "चालू" प्रतिकार म्हणजे ते कमी शक्ती नष्ट करतात, ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारतात. वैशिष्ट्यांचे हे अद्वितीय संयोजन ऑटोमोटिव्ह ऍप्लिकेशन्समधील काही सर्वात मागणी असलेल्या सर्किट्ससाठी, विशेषतः हायब्रीड आणि इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी या उपकरणांना आकर्षक बनवते.

ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रिकल उपकरणांमधील आव्हानांना तोंड देण्यासाठी GaN आणि SiC ट्रान्झिस्टर

गॅन आणि एसआयसी डिव्हाइसचे मुख्य फायदेः 650 व्ही, 900 व्ही आणि 1200 व्ही डिव्हाइससह उच्च व्होल्टेज क्षमता,

सिलिकॉन कार्बाईड:

उच्च 1700 व्ही .3300 व्ही आणि 6500 व्ही.

वेगवान स्विचिंग गती,

उच्च ऑपरेटिंग तापमान.

कमी प्रतिकार, कमीत कमी उर्जा अपव्यय आणि उच्च ऊर्जा कार्यक्षमता.

Gan उपकरणे

अनुप्रयोग स्विचिंगमध्ये, वर्धित-मोड (किंवा ई-मोड) डिव्हाइस, जे सहसा “बंद” असतात, त्यांना प्राधान्य दिले जाते, ज्यामुळे ई-मोड गॅन डिव्हाइसच्या विकासास कारणीभूत ठरते. प्रथम दोन एफईटी डिव्हाइसचे कॅसकेड आले (आकृती 2). आता, मानक ई-मोड गॅन डिव्हाइस उपलब्ध आहेत. ते 10 मेगाहर्ट्झ पर्यंत फ्रिक्वेन्सीवर आणि दहापट किलोवॅट पर्यंत उर्जा पातळीवर स्विच करू शकतात.

100 GHz पर्यंतच्या फ्रिक्वेन्सीवर पॉवर ॲम्प्लिफायर म्हणून वायरलेस उपकरणांमध्ये GaN साधने मोठ्या प्रमाणावर वापरली जातात. सेल्युलर बेस स्टेशन पॉवर ॲम्प्लीफायर्स, मिलिटरी रडार, सॅटेलाइट ट्रान्समीटर आणि सामान्य आरएफ ॲम्प्लीफिकेशन ही काही मुख्य वापर प्रकरणे आहेत. तथापि, उच्च व्होल्टेज (1,000 V पर्यंत), उच्च तापमान आणि जलद स्विचिंगमुळे, ते DC-DC कन्व्हर्टर्स, इन्व्हर्टर आणि बॅटरी चार्जर यांसारख्या विविध स्विचिंग पॉवर ऍप्लिकेशन्समध्ये देखील समाविष्ट केले जातात.

Sic डिव्हाइस

एसआयसी ट्रान्झिस्टर नैसर्गिक ई-मोड मॉफेट आहेत. ही डिव्हाइस 1 मेगाहर्ट्झ पर्यंत आणि सिलिकॉन मॉसफेट्सपेक्षा जास्त व्होल्टेज आणि सद्य पातळीवर वारंवारतेवर स्विच करू शकतात. जास्तीत जास्त ड्रेन-सोर्स व्होल्टेज सुमारे 1,800 व्ही पर्यंत आहे आणि सध्याची क्षमता 100 एएमपी आहे. याव्यतिरिक्त, एसआयसी डिव्हाइसमध्ये सिलिकॉन एमओएसएफईटीएसपेक्षा खूपच कमी प्रतिरोध आहे, परिणामी सर्व स्विचिंग वीजपुरवठा अनुप्रयोग (एसएमपीएस डिझाइन) मध्ये उच्च कार्यक्षमता येते.

कमी ऑन-रेझिस्टन्ससह डिव्हाइस चालू करण्यासाठी SiC उपकरणांना 18 ते 20 व्होल्टच्या गेट व्होल्टेज ड्राइव्हची आवश्यकता असते. स्टँडर्ड Si MOSFETs पूर्णपणे चालू होण्यासाठी गेटवर 10 पेक्षा कमी व्होल्टची आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त, SiC उपकरणांना ऑफ स्टेटवर जाण्यासाठी -3 ते -5 V गेट ड्राइव्हची आवश्यकता असते. SiC MOSFETs च्या उच्च व्होल्टेज, उच्च वर्तमान क्षमता त्यांना ऑटोमोटिव्ह पॉवर सर्किट्ससाठी आदर्श बनवतात.

बऱ्याच अनुप्रयोगांमध्ये, IGBTs ची जागा SiC उपकरणांद्वारे घेतली जात आहे. SiC उपकरणे उच्च फ्रिक्वेन्सीवर स्विच करू शकतात, कार्यक्षमतेत सुधारणा करताना इंडक्टर किंवा ट्रान्सफॉर्मरचा आकार आणि किंमत कमी करतात. याव्यतिरिक्त, SiC GaN पेक्षा जास्त प्रवाह हाताळू शकते.

GaN आणि SiC उपकरणांमध्ये स्पर्धा आहे, विशेषत: सिलिकॉन LDMOS MOSFETs, superjunction MOSFETs आणि IGBTs. बऱ्याच अनुप्रयोगांमध्ये, ते GaN आणि SiC ट्रान्झिस्टरद्वारे बदलले जात आहेत.

गॅन वि. एसआयसी तुलना सारांशित करण्यासाठी, येथे हायलाइट्स आहेतः

GaN Si पेक्षा वेगाने स्विच करतो.

Sic GaN पेक्षा जास्त व्होल्टेजवर चालते.

एसआयसीला उच्च गेट ड्राइव्ह व्होल्टेज आवश्यक आहेत.

गॅन आणि एसआयसीसह डिझाइन करून बर्‍याच पॉवर सर्किट्स आणि डिव्हाइस सुधारले जाऊ शकतात. सर्वात मोठा लाभार्थींपैकी एक म्हणजे ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रिकल सिस्टम. आधुनिक संकरित आणि इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये ही उपकरणे वापरू शकणारी उपकरणे आहेत. ओबीसी, डीसी-डीसी कन्व्हर्टर, मोटर ड्राइव्ह आणि लिडर हे काही लोकप्रिय अनुप्रयोग आहेत. आकृती 3 इलेक्ट्रिक वाहनांमधील मुख्य उपप्रणाली दर्शविते ज्यांना उच्च उर्जा स्विचिंग ट्रान्झिस्टर आवश्यक आहे.

आकृती 3. हायब्रीड आणि इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी डब्ल्यूबीजी ऑन-बोर्ड चार्जर (ओबीसी). एसी इनपुट सुधारित केले आहे, पॉवर फॅक्टर दुरुस्त (पीएफसी) आणि नंतर डीसी-डीसी रूपांतरित केले आहे

डीसी-डीसी कन्व्हर्टर. हे एक पॉवर सर्किट आहे जे उच्च बॅटरी व्होल्टेजला इतर इलेक्ट्रिकल डिव्हाइस चालविण्यासाठी कमी व्होल्टेजमध्ये रूपांतरित करते. आजची बॅटरी व्होल्टेज 600 व्ही किंवा 900 व्ही पर्यंत आहे. डीसी-डीसी कन्व्हर्टर इतर इलेक्ट्रॉनिक घटकांच्या ऑपरेशनसाठी (आकृती 3) 48 व्ही किंवा 12 व्ही किंवा दोन्ही पर्यंत खाली उतरते. हायब्रीड इलेक्ट्रिक आणि इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये (हेव्हेव्ह्स), डीसी-डीसी बॅटरी पॅक आणि इन्व्हर्टर दरम्यान उच्च-व्होल्टेज बससाठी देखील वापरली जाऊ शकते.

ऑन-बोर्ड चार्जर्स (ओबीसी). प्लग-इन HEVEVs आणि EVs मध्ये अंतर्गत बॅटरी चार्जर असतो जो AC मुख्य पुरवठ्याशी जोडला जाऊ शकतो. हे बाह्य AC−DC चार्जर (आकृती 4) शिवाय घरी चार्जिंगला अनुमती देते.

मुख्य ड्राइव्ह मोटर चालक? मुख्य ड्राइव्ह मोटर एक उच्च-आउटपुट एसी मोटर आहे जी वाहनाची चाके चालवते. ड्रायव्हर एक इन्व्हर्टर आहे जो मोटर चालू करण्यासाठी बॅटरी व्होल्टेजला तीन-फेज एसीमध्ये रूपांतरित करतो.

आकृती.

GaN आणि SiC ट्रान्झिस्टर ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रिकल डिझायनर्सना लवचिकता आणि सोपी डिझाईन्स तसेच त्यांच्या उच्च व्होल्टेज, उच्च प्रवाह आणि जलद स्विचिंग वैशिष्ट्यांमुळे उत्कृष्ट कार्यप्रदर्शन देतात.

वेटेक सेमीकंडक्टर एक व्यावसायिक चिनी निर्माता आहेटँटलम कार्बाईड कोटिंग, सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग, गॅन उत्पादने, विशेष ग्रेफाइट, सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सआणिइतर सेमीकंडक्टर सिरेमिक्स. VeTek सेमीकंडक्टर सेमीकंडक्टर उद्योगासाठी विविध कोटिंग उत्पादनांसाठी प्रगत उपाय प्रदान करण्यासाठी वचनबद्ध आहे.

आपल्याकडे काही चौकशी असल्यास किंवा अतिरिक्त तपशीलांची आवश्यकता असल्यास, कृपया आमच्याशी संपर्क साधण्यास अजिबात संकोच करू नका.

मॉब/व्हाट्सएप: +86-180 6922 0752

ईमेल: any@vetekesemi.com