Qual é a diferença entre as aplicações de carboneto de silício (sic) e nitreto de gálio (GaN)? - Vetek Semicondutor

SiceAmbossão referidos como "semicondutores amplos de banda" (WBG). Devido ao processo de produção usado, os dispositivos WBG mostram as seguintes vantagens:

1. Semicondutores de banda larga

Nitreto de gálio (GaN)ecarboneto de silício (sic)são relativamente semelhantes em termos de bandgap e campo de ruptura. O bandgap do nitreto de gálio é de 3,2 eV, enquanto o bandgap do carboneto de silício é de 3,4 eV. Embora esses valores pareçam semelhantes, eles são significativamente maiores que o bandgap do silício. O bandgap do silício é de apenas 1,1 eV, que é três vezes menor que o do nitreto de gálio e do carboneto de silício. As bandas mais altas desses compostos permitem que o nitreto de gálio e o carboneto de silício suportem confortavelmente circuitos de alta tensão, mas não podem suportar circuitos de baixa tensão como o silício.

2. Repartição da Força do Campo

Os campos de quebra de nitreto de gálio e carboneto de silício são relativamente semelhantes, com nitreto de gálio com um campo de avaria de 3,3 mV/cm e carboneto de silício com um campo de avaria de 3,5 mV/cm. Esses campos de avaria permitem que os compostos lidem com tensões mais altas significativamente melhores que o silício comum. O silício tem um campo de avaria de 0,3 mV/cm, o que significa que GaN e SIC são quase dez vezes mais capazes de sustentar tensões mais altas. Eles também são capazes de suportar tensões mais baixas usando dispositivos significativamente menores.

3. Transistor de mobilidade de alto elétrons (HEMT)

A diferença mais significativa entre GaN e SiC é a mobilidade dos elétrons, que indica a rapidez com que os elétrons se movem através do material semicondutor. Primeiro, o silício tem uma mobilidade eletrônica de 1500 cm^2/vs. O GAN possui uma mobilidade eletrônica de 2000 cm^2/vs, o que significa que os elétrons se movem mais de 30% mais rápido que os elétrons de silício. No entanto, o SIC tem uma mobilidade eletrônica de 650 cm^2/vs, o que significa que os elétrons da SIC se movem mais lentamente que os elétrons de GaN e Si. Com uma mobilidade eletrônica tão alta, o GAN é quase três vezes mais capaz de aplicações de alta frequência. Os elétrons podem se mover através dos semicondutores Gan muito mais rápido que o SIC.

4. Condutividade térmica de GaN e SIC

A condutividade térmica de um material é a sua capacidade de transferir calor através de si mesmo. A condutividade térmica afeta diretamente a temperatura de um material, dado o ambiente em que é utilizado. Em aplicações de alta potência, a ineficiência do material gera calor, o que aumenta a temperatura do material e posteriormente altera suas propriedades elétricas. O GaN tem uma condutividade térmica de 1,3 W/cmK, que na verdade é pior que a do silício, que tem uma condutividade de 1,5 W/cmK. No entanto, o SiC tem uma condutividade térmica de 5 W/cmK, o que o torna quase três vezes melhor na transferência de cargas de calor. Esta propriedade torna o SiC altamente vantajoso em aplicações de alta potência e alta temperatura.

5. Processo de fabricação de wafer semicondutor

Os processos atuais de fabricação são um fator limitante para GaN e SIC, porque eles são mais caros, menos precisos ou mais intensivos em energia do que os processos de fabricação de silício amplamente adotados. Por exemplo, o GAN contém um grande número de defeitos de cristal em uma pequena área. O silício, por outro lado, pode conter apenas 100 defeitos por centímetro quadrado. Obviamente, essa enorme taxa de defeitos torna o gan ineficiente. Enquanto os fabricantes fizeram grandes progressos nos últimos anos, a GAN ainda está lutando para atender aos rigorosos requisitos de design de semicondutores.

6. Mercado de semicondutores de potência

Comparado ao silício, a tecnologia de fabricação atual limita a relação custo-benefício do nitreto de gálio e do carboneto de silício, tornando os dois materiais de alta potência mais caros no curto prazo. No entanto, ambos os materiais têm fortes vantagens em aplicações específicas de semicondutores.

O carboneto de silício pode ser um produto mais eficaz no curto prazo porque é mais fácil fabricar pastilhas de SiC maiores e mais uniformes do que o nitreto de gálio. Com o tempo, o nitreto de gálio encontrará o seu lugar em produtos pequenos e de alta frequência, dada a sua maior mobilidade electrónica. O carboneto de silício será mais desejável em produtos de maior potência porque suas capacidades de potência são superiores à condutividade térmica do nitreto de gálio.

Nitreto de gálio ed dispositivos de carboneto de silício competem com MOSFETs de semicondutores de silício (LDMOS) e MOSFETs de superjunção. Os dispositivos GaN e SiC são semelhantes em alguns aspectos, mas também existem diferenças significativas.

Figura 1. A relação entre alta tensão, alta corrente, frequência de comutação e principais áreas de aplicação.

Semicondutores amplos de bandgap

Os semicondutores compostos WBG apresentam maior mobilidade de elétrons e maior energia de banda, que se traduz em propriedades superiores sobre o silício. Os transistores feitos a partir de semicondutores compostos WBG apresentam maiores tensões de ruptura e tolerância a altas temperaturas. Esses dispositivos oferecem vantagens sobre o silício em aplicações de alta tensão e alta potência.

Figura 2. Um circuito em cascata dual-FET converte um transistor GaN em um dispositivo normalmente desligado, permitindo operação em modo de aprimoramento padrão em circuitos de comutação de alta potência

Os transistores WBG também mudam mais rápido que o silício e podem operar em frequências mais altas. Resistência menor “on” significa que eles dissipam menos energia, melhorando a eficiência energética. Essa combinação única de características torna esses dispositivos atraentes para alguns dos circuitos mais exigentes em aplicações automotivas, principalmente veículos híbridos e elétricos.

Transistores GaN e SIC para enfrentar desafios em equipamentos elétricos automotivos

Principais benefícios dos dispositivos GaN e SiC: Capacidade de alta tensão, com dispositivos de 650 V, 900 V e 1200 V,

Carboneto de silício:

Mais alto 1700V.3300V e 6500V.

Velocidades de comutação mais rápidas,

Temperaturas operacionais mais altas.

Menor resistência, dissipação mínima de energia e maior eficiência energética.

Dispositivos gan

Em aplicativos de comutação, são preferidos os dispositivos de melhoria (ou modo E), que geralmente são "desligados", o que levou ao desenvolvimento de dispositivos GaN de modo eletrônico. Chegou a cascata de dois dispositivos FET (Figura 2). Agora, estão disponíveis dispositivos GAN de modo eletrônico padrão. Eles podem alternar em frequências de até 10 MHz e níveis de energia até dezenas de quilowatts.

Os dispositivos GAN são amplamente utilizados em equipamentos sem fio como amplificadores de energia em frequências de até 100 GHz. Alguns dos principais casos de uso são amplificadores de potência da estação de base celular, radares militares, transmissores de satélite e amplificação geral de RF. No entanto, devido à alta tensão (até 1.000 V), alta temperatura e comutação rápida, eles também são incorporados a vários aplicativos de energia de comutação, como conversores DC-DC, inversores e carregadores de bateria.

Dispositivos Sic

Os transistores do SIC são MOSFETs naturais de modo eletrônico. Esses dispositivos podem alternar em frequências de até 1 MHz e em níveis de tensão e corrente muito mais altos que os MOSFETs de silício. A tensão máxima da fonte de drenagem é de cerca de 1.800 V, e a capacidade atual é de 100 amperes. Além disso, os dispositivos SiC têm uma resistência muito menor que os MOSFETs de silício, resultando em maior eficiência em todas as aplicações de fonte de alimentação de comutação (projetos SMPS).

Os dispositivos SiC requerem um acionamento de tensão de porta de 18 a 20 volts para ligar o dispositivo com baixa resistência. Os MOSFETs Si padrão requerem menos de 10 volts no portão para serem totalmente ligados. Além disso, os dispositivos SiC requerem um gate drive de -3 a -5 V para mudar para o estado desligado. As capacidades de alta tensão e alta corrente dos MOSFETs de SiC os tornam ideais para circuitos de energia automotivos.

Em muitas aplicações, os IGBTs estão sendo substituídos por dispositivos SiC. Os dispositivos SiC podem comutar em frequências mais altas, reduzindo o tamanho e o custo dos indutores ou transformadores e, ao mesmo tempo, melhorando a eficiência. Além disso, o SiC pode lidar com correntes mais altas que o GaN.

Há competição entre dispositivos GaN e SiC, especialmente MOSFETs LDMOS de silício, MOSFETs de superjunção e IGBTs. Em muitas aplicações, eles estão sendo substituídos por transistores GaN e SiC.

Para resumir a comparação GaN vs. SiC, aqui estão os destaques:

Ambos muda mais rápido que Si.

O SIC opera em tensões mais altas que o GaN.

Sic requer altas tensões de acionamento de porta.

Muitos circuitos e dispositivos de potência podem ser aprimorados projetando com GaN e SIC. Um dos maiores beneficiários é o sistema elétrico automotivo. Os veículos híbridos e elétricos modernos contêm dispositivos que podem usar esses dispositivos. Algumas das aplicações populares são OBCs, conversores DC-DC, acionamentos de motor e lidar. A Figura 3 aponta os principais subsistemas em veículos elétricos que requerem transistores de comutação de alta energia.

Figura 3. Carregador de bordo WBG (OBC) para veículos híbridos e elétricos. A entrada CA é retificada, o fator de potência corrigido (PFC) e depois a DC-DC convertida

Conversor dc-dc. Este é um circuito de potência que converte a alta tensão da bateria em uma tensão mais baixa para executar outros dispositivos elétricos. A tensão da bateria de hoje varia de até 600V ou 900V. O conversor DC-DC diminui para 48V ou 12V, ou ambos, para a operação de outros componentes eletrônicos (Figura 3). Nos veículos elétricos e elétricos híbridos (Hevevs), o DC-DC também pode ser usado para o ônibus de alta tensão entre a bateria e o inversor.

Carregadores a bordo (OBCs). HEVEVs e EVs plug-in contêm um carregador de bateria interno que pode ser conectado a uma fonte de alimentação CA. Isso permite carregar em casa sem a necessidade de um carregador AC-DC externo (Figura 4).

Driver do motor de acionamento principal. O motor de acionamento principal é um motor CA de alta saída que aciona as rodas do veículo. O motorista é um inversor que converte a tensão da bateria em AC trifásico para girar o motor.

Figura 4. Um conversor dc-dc típico é usado para converter tensões altas da bateria em 12 V e/ou 48 V. IGBTs usadas em pontes de alta tensão estão sendo substituídas por MOSFETs SiC.

Os transistores GaN e SiC oferecem aos projetistas elétricos automotivos flexibilidade e projetos mais simples, bem como desempenho superior devido às suas características de alta tensão, alta corrente e comutação rápida.

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