Quelle est la différence entre les applications de carbure de silicium (SIC) et de nitrure de gallium (GAN)? - Semi-conducteur Vetek

SicetGaNsont appelés « semi-conducteurs à large bande interdite » (WBG). En raison du processus de production utilisé, les appareils WBG présentent les avantages suivants :

1. Semi-conducteurs à large bande interdite

Nitrure de gallium (GaN)etcarbure de silicium (sic)sont relativement similaires en termes de bande interdite et de champ de panne. La bande interdite du nitrure de gallium est de 3,2 eV, tandis que la bande interdite du carbure de silicium est de 3,4 eV. Bien que ces valeurs semblent similaires, elles sont significativement plus élevées que la bande interdite du silicium. La bande interdite du silicium n'est que de 1,1 eV, ce qui est trois fois plus petit que celui du nitrure de gallium et du carbure de silicium. Les interdictions plus élevées de ces composés permettent au nitrure de gallium et au carbure de silicium de supporter confortablement des circuits de tension plus élevée, mais ils ne peuvent pas supporter des circuits basse tension comme le silicium.

2. Force du champ de panne

Les champs de panne du nitrure de gallium et du carbure de silicium sont relativement similaires, le nitrure de gallium ayant un champ de panne de 3,3 mV / cm et du carbure de silicium ayant un champ de panne de 3,5 mV / cm. Ces champs de panne permettent aux composés de gérer des tensions plus élevées beaucoup mieux que le silicium ordinaire. Le silicium a un champ de panne de 0,3 mV / cm, ce qui signifie que le GAN et le SIC sont presque dix fois plus capables de maintenir des tensions plus élevées. Ils sont également en mesure de prendre en charge des tensions inférieures en utilisant des dispositifs beaucoup plus petits.

3. Transistor de mobilité électronique élevée (HEMT)

La différence la plus significative entre le GAN et le SIC est leur mobilité électronique, qui indique à quelle vitesse les électrons se déplacent dans le matériau semi-conducteur. Tout d'abord, le silicium a une mobilité électronique de 1500 cm ^ 2 / vs. Gan a une mobilité électronique de 2000 cm ^ 2 / vs, ce qui signifie que les électrons se déplacent plus de 30% plus rapidement que les électrons du silicium. Cependant, SIC a une mobilité électronique de 650 cm ^ 2 / VS, ce qui signifie que les électrons de Sic se déplacent plus lentement que les électrons de Gan et Si. Avec une mobilité électronique aussi élevée, Gan est presque trois fois plus capable pour les applications à haute fréquence. Les électrons peuvent se déplacer à travers les semi-conducteurs GaN beaucoup plus rapidement que sic.

4. Conductivité thermique du GaN et du Sic

La conductivité thermique d’un matériau est sa capacité à transférer la chaleur à travers lui-même. La conductivité thermique affecte directement la température d'un matériau, compte tenu de l'environnement dans lequel il est utilisé. Dans les applications à haute puissance, l'inefficacité du matériau génère de la chaleur, ce qui augmente la température du matériau et modifie par la suite ses propriétés électriques. Le GaN a une conductivité thermique de 1,3 W/cmK, ce qui est en réalité pire que celle du silicium, qui a une conductivité de 1,5 W/cmK. Cependant, le SiC a une conductivité thermique de 5 W/cmK, ce qui le rend près de trois fois meilleur pour transférer les charges thermiques. Cette propriété rend le SiC très avantageux dans les applications haute puissance et haute température.

5. Processus de fabrication de la plaquette semi-conducteur

Les procédés de fabrication actuels constituent un facteur limitant pour le GaN et le SiC, car ils sont plus coûteux, moins précis ou plus gourmands en énergie que les procédés de fabrication du silicium largement adoptés. Par exemple, le GaN contient un grand nombre de défauts cristallins sur une petite surface. Le silicium, quant à lui, ne peut contenir que 100 défauts par centimètre carré. Évidemment, cet énorme taux de défauts rend le GaN inefficace. Même si les fabricants ont fait de grands progrès ces dernières années, le GaN a encore du mal à répondre aux exigences strictes en matière de conception de semi-conducteurs.

6. Marché de semi-conducteur de puissance

Par rapport au silicium, la technologie de fabrication actuelle limite la rentabilité du nitrure de gallium et du carbure de silicium, ce qui rend ces deux matériaux à haute puissance plus coûteux à court terme. Cependant, les deux matériaux présentent de sérieux avantages dans des applications spécifiques aux semi-conducteurs.

Le carbure de silicium peut être un produit plus efficace à court terme car il est plus facile de fabriquer des plaquettes de SiC plus grandes et plus uniformes que le nitrure de gallium. Au fil du temps, le nitrure de gallium trouvera sa place dans les petits produits à haute fréquence grâce à sa plus grande mobilité électronique. Le carbure de silicium sera plus recherché dans les produits de plus grande puissance, car ses capacités de puissance sont supérieures à la conductivité thermique du nitrure de gallium.

Nitrure de gallium anD Les dispositifs en carbure de silicium rivalisent avec les MOSFET de semi-conducteur de silicium (LDMOS) et les MOSFET de superjonction. Les appareils GAn et SIC sont similaires à certains égards, mais il existe également des différences significatives.

Figure 1. La relation entre la haute tension, le courant élevé, la fréquence de commutation et les principaux domaines d'application.

Semi-conducteurs à large bande interdite

Les semi-conducteurs composés WBG ont une mobilité électronique plus élevée et une énergie de bande interdite plus élevée, ce qui se traduit par des propriétés supérieures sur le silicium. Les transistors fabriqués à partir de semi-conducteurs composés WBG ont des tensions de dégagement plus élevées et une tolérance à des températures élevées. Ces appareils offrent des avantages par rapport au silicium dans les applications à haute tension et haute puissance.

Figure 2. Un circuit en cascade à double FET à double die convertit un transistor GaN en un dispositif normalement off

Les transistors WBG commutent également plus rapidement que le silicium et peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées. Une résistance « on » plus faible signifie qu’ils dissipent moins d’énergie, améliorant ainsi l’efficacité énergétique. Cette combinaison unique de caractéristiques rend ces dispositifs attrayants pour certains des circuits les plus exigeants des applications automobiles, en particulier les véhicules hybrides et électriques.

Des transistors GaN et SiC pour relever les défis des équipements électriques automobiles

Avantages clés des appareils GAn et SIC: capacité haute tension, avec des appareils 650 V, 900 V et 1200 V,

Carbure de silicium:

1700 V.3300 V et 6500 V.

Des vitesses de commutation plus rapides,

Températures de fonctionnement plus élevées.

Plus faible sur la résistance, la dissipation minimale de puissance et une efficacité énergétique plus élevée.

Dispositifs GAN

Dans les applications de commutation, les dispositifs en mode amélioration (ou mode E), qui sont généralement « désactivés », sont préférés, ce qui a conduit au développement de dispositifs GaN en mode E. Vint d’abord la cascade de deux dispositifs FET (Figure 2). Désormais, des appareils GaN standard en mode e sont disponibles. Ils peuvent commuter à des fréquences allant jusqu'à 10 MHz et des niveaux de puissance jusqu'à plusieurs dizaines de kilowatts.

Les appareils GAn sont largement utilisés dans l'équipement sans fil comme amplificateurs d'alimentation à des fréquences jusqu'à 100 GHz. Certains des principaux cas d'utilisation sont les amplificateurs de puissance de la station de base cellulaire, les radars militaires, les émetteurs par satellite et l'amplification générale RF. Cependant, en raison de la haute tension (jusqu'à 1 000 V), de la température élevée et de la commutation rapide, ils sont également incorporés dans diverses applications de puissance de commutation telles que les convertisseurs DC-DC, les onduleurs et les chargeurs de batterie.

Appareils Sic

Les transistors SIC sont des MOSFET en mode électronique naturels. Ces appareils peuvent changer à des fréquences jusqu'à 1 MHz et à la tension et aux niveaux de courant beaucoup plus élevés que les MOSFET de silicium. La tension maximale de la source de drain est jusqu'à environ 1 800 V, et la capacité de courant est de 100 ampères. De plus, les dispositifs SIC ont une résistance sur la résistance beaucoup plus faible que les MOSFET de silicium, entraînant une efficacité plus élevée dans toutes les applications d'alimentation de commutation (conceptions SMPS).

Les dispositifs SiC nécessitent une tension de grille de 18 à 20 volts pour allumer l'appareil avec une faible résistance à l'état passant. Les MOSFET Si standard nécessitent moins de 10 volts à la grille pour s'allumer complètement. De plus, les dispositifs SiC nécessitent un pilote de grille de -3 à -5 V pour passer à l'état désactivé. Les capacités haute tension et courant élevé des MOSFET SiC les rendent idéaux pour les circuits de puissance automobiles.

Dans de nombreuses applications, les IGBT sont remplacés par des dispositifs SiC. Les dispositifs SiC peuvent commuter à des fréquences plus élevées, réduisant ainsi la taille et le coût des inductances ou des transformateurs tout en améliorant l'efficacité. De plus, le SiC peut gérer des courants plus élevés que le GaN.

Il existe une concurrence entre les dispositifs GaN et SiC, en particulier les MOSFET LDMOS au silicium, les MOSFET à superjonction et les IGBT. Dans de nombreuses applications, ils sont remplacés par des transistors GaN et SiC.

Pour résumer la comparaison GaN vs SiC, voici les points forts :

GaN commute plus rapidement que Si.

Le SiC fonctionne à des tensions plus élevées que le GaN.

Le SiC nécessite des tensions de commande de grille élevées.

De nombreux circuits et dispositifs de puissance peuvent être améliorés grâce à la conception avec GaN et SiC. L’un des principaux bénéficiaires est le système électrique automobile. Les véhicules hybrides et électriques modernes contiennent des appareils pouvant utiliser ces appareils. Certaines des applications populaires sont les OBC, les convertisseurs DC-DC, les entraînements moteurs et le LiDAR. La figure 3 présente les principaux sous-systèmes des véhicules électriques qui nécessitent des transistors de commutation de haute puissance.

Figure 3. Chargeur embarqué WBG (OBC) pour les véhicules hybrides et électriques. L'entrée CA est corrigée, corrigée du facteur de puissance (PFC), puis converti DC-DC

Convertisseur DC-DC. Il s'agit d'un circuit d'alimentation qui convertit la tension de batterie élevée en une tension inférieure pour exécuter d'autres dispositifs électriques. La tension de la batterie d'aujourd'hui jusqu'à 600 V ou 900 V. Le convertisseur DC-DC les passait à 48 V ou 12V, ou les deux, pour le fonctionnement d'autres composants électroniques (figure 3). Dans les véhicules électriques et électriques hybrides (Hevevs), DC-DC peut également être utilisé pour le bus haute tension entre la batterie et l'onduleur.

Chargeurs embarqués (OBC). Les Hevev et EV plug-in contiennent un chargeur de batterie interne qui peut être connecté à une alimentation secteur AC. Cela permet de charger à la maison sans avoir besoin d'un chargeur AC-DC externe (figure 4).

Pilote du moteur d'entraînement principal. Le moteur principal est un moteur CA à haut rendement qui entraîne les roues du véhicule. Le conducteur est un onduleur qui convertit la tension de la batterie en AC triphasé pour tourner le moteur.

Figure 4. Un convertisseur DC-DC typique est utilisé pour convertir les tensions élevées de batterie en 12 V et/ou 48 V. Les IGBT utilisés dans les ponts haute tension sont remplacés par des MOSFET SiC.

Les transistors Gan et SIC offrent des concepteurs électriques automobiles et des conceptions plus simples ainsi que des performances supérieures en raison de leurs caractéristiques de haute tension, de courant élevé et de commutation rapide.

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