Sự khác biệt giữa các ứng dụng cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN) là gì? - Chất bán dẫn VeTek

SiCVàGaNđược gọi là "chất bán dẫn có dải tần rộng" (WBG). Do sử dụng quy trình sản xuất nên thiết bị WBG có những ưu điểm sau:

1. Chất bán dẫn có dải thông rộng

Galli nitrua (GaN)Vàcacbua silic (SiC)tương đối giống nhau về vùng cấm và trường phân tích. Vùng cấm của gali nitrit là 3,2 eV, trong khi vùng cấm của silicon cacbua là 3,4 eV. Mặc dù các giá trị này có vẻ giống nhau nhưng chúng cao hơn đáng kể so với dải cấm của silicon. Khoảng cách của silicon chỉ là 1,1 eV, nhỏ hơn ba lần so với gali nitrit và cacbua silic. Khoảng cách cao hơn của các hợp chất này cho phép gali nitrit và cacbua silic thoải mái hỗ trợ các mạch điện áp cao hơn, nhưng chúng không thể hỗ trợ các mạch điện áp thấp như silicon.

2. Cường độ trường phân tích

Trường phân hủy của gali nitrit và cacbua silic tương đối giống nhau, trong đó gali nitrit có trường phân hủy là 3,3 MV/cm và cacbua silic có trường phân hủy là 3,5 MV/cm. Các trường phân tích này cho phép các hợp chất xử lý điện áp cao hơn đáng kể so với silicon thông thường. Silicon có trường đánh thủng là 0,3 MV/cm, điều đó có nghĩa là GaN và SiC có khả năng duy trì điện áp cao hơn gần gấp 10 lần. Họ cũng có thể hỗ trợ điện áp thấp hơn bằng cách sử dụng các thiết bị nhỏ hơn đáng kể.

3. Transitor có độ linh động điện tử cao (HEMT)

Sự khác biệt đáng kể nhất giữa GaN và SiC là độ linh động của điện tử, cho biết tốc độ di chuyển của các điện tử trong vật liệu bán dẫn. Đầu tiên, silicon có độ linh động điện tử là 1500 cm^2/Vs. GaN có độ linh động của điện tử là 2000 cm^2/Vs, nghĩa là các electron chuyển động nhanh hơn 30% so với các electron của silicon. Tuy nhiên, SiC có độ linh động điện tử là 650 cm^2/Vs, có nghĩa là các electron của SiC chuyển động chậm hơn các electron của GaN và Si. Với độ linh động điện tử cao như vậy, GaN có khả năng hoạt động tốt hơn gần gấp ba lần đối với các ứng dụng tần số cao. Các electron có thể di chuyển trong chất bán dẫn GaN nhanh hơn nhiều so với SiC.

4. Độ dẫn nhiệt của GaN và SiC

Độ dẫn nhiệt của vật liệu là khả năng truyền nhiệt qua chính nó. Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ của vật liệu, tùy theo môi trường sử dụng vật liệu đó. Trong các ứng dụng năng lượng cao, tính kém hiệu quả của vật liệu sẽ tạo ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ của vật liệu và sau đó làm thay đổi tính chất điện của nó. GaN có độ dẫn nhiệt 1,3 W/cmK, thực sự kém hơn so với silicon, có độ dẫn nhiệt 1,5 W/cmK. Tuy nhiên, SiC có độ dẫn nhiệt 5 W/cmK, giúp nó truyền tải nhiệt tốt hơn gần gấp ba lần. Đặc tính này làm cho SiC có lợi thế cao trong các ứng dụng nhiệt độ cao, năng lượng cao.

5. Quy trình sản xuất tấm bán dẫn

Các quy trình sản xuất hiện tại là một yếu tố hạn chế đối với GaN và SiC vì chúng đắt hơn, kém chính xác hơn hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với các quy trình sản xuất silicon được áp dụng rộng rãi. Ví dụ, GaN chứa một số lượng lớn các khuyết tật tinh thể trên một diện tích nhỏ. Mặt khác, silicon chỉ có thể chứa 100 khuyết tật trên mỗi cm vuông. Rõ ràng, tỷ lệ lỗi khổng lồ này khiến GaN hoạt động kém hiệu quả. Trong khi các nhà sản xuất đã có những bước tiến vượt bậc trong những năm gần đây thì GaN vẫn đang phải chật vật để đáp ứng những yêu cầu khắt khe về thiết kế chất bán dẫn.

6. Thị trường bán dẫn điện

So với silicon, công nghệ sản xuất hiện tại hạn chế hiệu quả chi phí của gali nitrit và cacbua silic, khiến cả hai vật liệu công suất cao này trở nên đắt hơn trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, cả hai vật liệu đều có ưu điểm mạnh mẽ trong các ứng dụng bán dẫn cụ thể.

Cacbua silic có thể là sản phẩm hiệu quả hơn trong thời gian ngắn vì nó dễ sản xuất các tấm bán dẫn SiC lớn hơn và đồng đều hơn so với gali nitrit. Theo thời gian, gallium nitride sẽ tìm thấy vị trí của nó trong các sản phẩm nhỏ, tần số cao nhờ độ linh động điện tử cao hơn. Cacbua silic sẽ được ưa chuộng hơn trong các sản phẩm năng lượng lớn hơn vì khả năng cung cấp năng lượng của nó cao hơn độ dẫn nhiệt của gali nitrit.

Gallium nitrit vàd Các thiết bị cacbua silic cạnh tranh với các MOSFET bán dẫn silicon (LDMOS) và MOSFET siêu tiếp xúc. Các thiết bị GaN và SiC giống nhau ở một số điểm nhưng cũng có những khác biệt đáng kể.

Hình 1. Mối quan hệ giữa điện áp cao, dòng điện cao, tần số chuyển mạch và các lĩnh vực ứng dụng chính.

Chất bán dẫn có dải rộng

Chất bán dẫn hợp chất WBG có độ linh động điện tử cao hơn và năng lượng vùng cấm cao hơn, điều này mang lại những đặc tính vượt trội so với silicon. Các bóng bán dẫn được làm từ chất bán dẫn hỗn hợp WBG có điện áp đánh thủng cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ cao. Những thiết bị này mang lại lợi thế hơn silicon trong các ứng dụng điện áp cao và năng lượng cao.

Hình 2. Mạch xếp tầng FET kép khuôn kép chuyển đổi bóng bán dẫn GaN thành thiết bị tắt bình thường, cho phép vận hành ở chế độ nâng cao tiêu chuẩn trong các mạch chuyển mạch công suất cao

Các bóng bán dẫn WBG cũng chuyển đổi nhanh hơn silicon và có thể hoạt động ở tần số cao hơn. Điện trở “bật” thấp hơn có nghĩa là chúng tiêu hao ít năng lượng hơn, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Sự kết hợp các đặc điểm độc đáo này làm cho các thiết bị này trở nên hấp dẫn đối với một số mạch đòi hỏi khắt khe nhất trong các ứng dụng ô tô, đặc biệt là xe hybrid và xe điện.

Bóng bán dẫn GaN và SiC đáp ứng những thách thức trong thiết bị điện ô tô

Lợi ích chính của thiết bị GaN và SiC: Khả năng điện áp cao, với các thiết bị 650 V, 900 V và 1200 V,

cacbua silic:

Cao hơn 1700V.3300V và 6500V.

Tốc độ chuyển đổi nhanh hơn,

Nhiệt độ hoạt động cao hơn.

Điện trở thấp hơn, tiêu tán điện năng tối thiểu và hiệu suất năng lượng cao hơn.

Thiết bị GaN

Trong các ứng dụng chuyển đổi, các thiết bị chế độ nâng cao (hoặc chế độ E), thường “tắt”, được ưu tiên hơn, dẫn đến sự phát triển của các thiết bị GaN chế độ E. Đầu tiên là dòng hai thiết bị FET (Hình 2). Giờ đây, các thiết bị GaN chế độ điện tử tiêu chuẩn đã có sẵn. Chúng có thể chuyển đổi ở tần số lên tới 10 MHz và mức công suất lên tới hàng chục kilowatt.

Thiết bị GaN được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị không dây làm bộ khuếch đại công suất ở tần số lên tới 100 GHz. Một số trường hợp sử dụng chính là bộ khuếch đại công suất trạm gốc di động, radar quân sự, máy phát vệ tinh và khuếch đại RF chung. Tuy nhiên, do điện áp cao (lên đến 1.000 V), nhiệt độ cao và chuyển mạch nhanh, chúng cũng được tích hợp vào các ứng dụng nguồn chuyển mạch khác nhau như bộ chuyển đổi DC-DC, bộ biến tần và bộ sạc pin.

Thiết bị SiC

Các bóng bán dẫn SiC là các MOSFET chế độ E tự nhiên. Các thiết bị này có thể chuyển đổi ở tần số lên tới 1 MHz và ở mức điện áp cũng như dòng điện cao hơn nhiều so với MOSFET silicon. Điện áp nguồn xả tối đa lên tới khoảng 1.800 V và khả năng dòng điện là 100 amps. Ngoài ra, các thiết bị SiC có điện trở thấp hơn nhiều so với MOSFET silicon, mang lại hiệu suất cao hơn trong tất cả các ứng dụng cấp nguồn chuyển mạch (thiết kế SMPS).

Các thiết bị SiC yêu cầu ổ điện áp cổng từ 18 đến 20 volt để bật thiết bị có điện trở thấp. MOSFET Si tiêu chuẩn yêu cầu ít hơn 10 volt ở cổng để bật hoàn toàn. Ngoài ra, thiết bị SiC yêu cầu ổ đĩa cổng -3 đến -5 V để chuyển sang trạng thái tắt. Điện áp cao, khả năng dòng điện cao của SiC MOSFET khiến chúng trở nên lý tưởng cho các mạch điện ô tô.

Trong nhiều ứng dụng, IGBT đang được thay thế bằng thiết bị SiC. Các thiết bị SiC có thể chuyển đổi ở tần số cao hơn, giảm kích thước và giá thành của cuộn cảm hoặc máy biến áp đồng thời nâng cao hiệu quả. Ngoài ra, SiC có thể xử lý dòng điện cao hơn GaN.

Có sự cạnh tranh giữa các thiết bị GaN và SiC, đặc biệt là MOSFET LDMOS silicon, MOSFET siêu tiếp xúc và IGBT. Trong nhiều ứng dụng, chúng đang được thay thế bằng bóng bán dẫn GaN và SiC.

Để tóm tắt so sánh GaN và SiC, đây là những điểm nổi bật:

GaN switches faster than Si.

SiC hoạt động ở điện áp cao hơn GaN.

SiC yêu cầu điện áp ổ đĩa cổng cao.

Nhiều mạch điện và thiết bị có thể được cải tiến bằng cách thiết kế với GaN và SiC. Một trong những đối tượng được hưởng lợi lớn nhất là hệ thống điện ô tô. Xe hybrid và xe điện hiện đại có chứa các thiết bị có thể sử dụng các thiết bị này. Một số ứng dụng phổ biến là OBC, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển động cơ và LiDAR. Hình 3 chỉ ra các hệ thống con chính trong xe điện yêu cầu bóng bán dẫn chuyển mạch công suất cao.

Hình 3.  Bộ sạc tích hợp WBG (OBC) dành cho xe hybrid và xe điện. Đầu vào AC được chỉnh lưu, hệ số công suất được hiệu chỉnh (PFC) và sau đó được chuyển đổi DC-DC

Bộ chuyển đổi DC-DC. Đây là mạch điện chuyển đổi điện áp cao của pin thành điện áp thấp hơn để chạy các thiết bị điện khác. Điện áp pin ngày nay dao động lên tới 600V hoặc 900V. Bộ chuyển đổi DC-DC giảm mức điện áp xuống 48V hoặc 12V hoặc cả hai để vận hành các linh kiện điện tử khác (Hình 3). Trong xe điện và xe hybrid (HEVEV), DC-DC cũng có thể được sử dụng cho bus điện áp cao giữa bộ pin và bộ biến tần.

Bộ sạc trên bo mạch (OBC). HEVEV và EV plug-in chứa bộ sạc pin bên trong có thể được kết nối với nguồn điện lưới AC. Điều này cho phép sạc tại nhà mà không cần bộ sạc AC−DC bên ngoài (Hình 4).

Trình điều khiển động cơ truyền động chính. Động cơ dẫn động chính là động cơ xoay chiều công suất cao dẫn động các bánh xe. Trình điều khiển là một bộ biến tần chuyển đổi điện áp pin thành điện áp xoay chiều ba pha để làm quay động cơ.

Hình 4. Bộ chuyển đổi DC-DC điển hình được sử dụng để chuyển đổi điện áp pin cao thành 12 V và/hoặc 48 V. IGBT dùng trong cầu điện áp cao đang được thay thế bằng SiC MOSFET.

Bóng bán dẫn GaN và SiC mang đến cho các nhà thiết kế điện ô tô sự linh hoạt và thiết kế đơn giản hơn cũng như hiệu suất vượt trội nhờ đặc tính điện áp cao, dòng điện cao và chuyển mạch nhanh.

VeTek Semiconductor là nhà sản xuất chuyên nghiệp của Trung Quốc vềLớp phủ cacbua tantali, Lớp phủ silicon cacbua, Sản phẩm GaN, Than chì đặc biệt, Gốm sứ cacbua silicVàGốm sứ bán dẫn khác. VeTek Semiconductor cam kết cung cấp các giải pháp tiên tiến cho các sản phẩm Lớp phủ khác nhau cho ngành bán dẫn.

Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com