ما الفرق بين تطبيقات كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)؟ - فيتيك لأشباه الموصلات

كربيد كربيدوالجاليوميشار إليها باسم "أشباه الموصلات واسعة النطاق" (WBG). نظرا لعملية الإنتاج المستخدمة، تظهر أجهزة WBG المزايا التالية:

1. أشباه الموصلات واسعة النطاق

نيتريد الغاليوم (GaN)وكربيد السيليكون (SiC)متشابهة نسبيًا من حيث فجوة النطاق ومجال الانهيار. تبلغ فجوة نطاق نيتريد الغاليوم 3.2 فولت، بينما تبلغ فجوة نطاق كربيد السيليكون 3.4 فولت. وعلى الرغم من أن هذه القيم تبدو متشابهة، إلا أنها أعلى بكثير من فجوة نطاق السيليكون. تبلغ فجوة نطاق السيليكون 1.1 فولت فقط، وهي أصغر بثلاث مرات من نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. تسمح فجوات النطاق الأعلى لهذه المركبات لنتريد الغاليوم وكربيد السيليكون بدعم دوائر الجهد العالي بشكل مريح، لكنها لا تستطيع دعم دوائر الجهد المنخفض مثل السيليكون.

2. انهيار قوة المجال

تتشابه مجالات انهيار نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون نسبيًا، حيث يمتلك نيتريد الغاليوم مجال انهيار قدره 3.3 ميجا فولت/سم وكربيد السيليكون له مجال انهيار يبلغ 3.5 ميجا فولت/سم. تسمح حقول الانهيار هذه للمركبات بالتعامل مع الفولتية الأعلى بشكل أفضل بكثير من السيليكون العادي. يحتوي السيليكون على مجال انهيار يبلغ 0.3 ميجا فولت/سم، مما يعني أن GaN وSiC أكثر قدرة بعشر مرات تقريبًا على الحفاظ على الفولتية الأعلى. كما أنها قادرة على دعم الفولتية المنخفضة باستخدام أجهزة أصغر بكثير.

3. ترانزستور الحركة الإلكترونية العالية (HEMT)

الفرق الأكثر أهمية بين GaN وSiC هو حركية الإلكترون، مما يشير إلى مدى سرعة تحرك الإلكترونات عبر مادة أشباه الموصلات. أولاً، يتمتع السيليكون بحركة إلكترون تبلغ 1500 سم^2/Vs. يتمتع GaN بحركة إلكترون تبلغ 2000 سم^2/فولت، مما يعني أن الإلكترونات تتحرك أسرع بنسبة تزيد عن 30% من إلكترونات السيليكون. ومع ذلك، يتمتع SiC بحركة إلكترون تبلغ 650 سم^2/Vs، مما يعني أن إلكترونات SiC تتحرك بشكل أبطأ من إلكترونات GaN وSi. مع مثل هذه الحركة الإلكترونية العالية، فإن GaN أكثر قدرة بثلاث مرات تقريبًا على التطبيقات عالية التردد. يمكن للإلكترونات أن تتحرك عبر أشباه الموصلات GaN بشكل أسرع بكثير من SiC.

4. التوصيل الحراري لـ GaN وكربيد كربيد

الموصلية الحرارية للمادة هي قدرتها على نقل الحرارة من خلال نفسها. تؤثر الموصلية الحرارية بشكل مباشر على درجة حرارة المادة، بالنظر إلى البيئة التي تستخدم فيها. في التطبيقات عالية الطاقة، يؤدي عدم كفاءة المادة إلى توليد حرارة، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة المادة وبالتالي تغيير خصائصها الكهربائية. يمتلك GaN موصلية حرارية تبلغ 1.3 واط / سم كلفن، وهو في الواقع أسوأ من السيليكون الذي يتمتع بموصلية حرارية تبلغ 1.5 واط / سم كلفن. ومع ذلك، يتمتع SiC بموصلية حرارية تبلغ 5 واط / سم كلفن، مما يجعله أفضل بثلاث مرات تقريبًا في نقل الأحمال الحرارية. هذه الخاصية تجعل SiC مفيدًا للغاية في التطبيقات عالية الطاقة ودرجات الحرارة العالية.

5. عملية تصنيع رقائق أشباه الموصلات

تعد عمليات التصنيع الحالية عاملاً مقيدًا لـ GaN وSiC لأنها أكثر تكلفة أو أقل دقة أو أكثر استهلاكًا للطاقة من عمليات تصنيع السيليكون المعتمدة على نطاق واسع. على سبيل المثال، يحتوي GaN على عدد كبير من العيوب البلورية على مساحة صغيرة. ومن ناحية أخرى، يمكن أن يحتوي السيليكون على 100 عيب فقط في كل سنتيمتر مربع. من الواضح أن معدل الخلل الضخم هذا يجعل GaN غير فعال. في حين أن الشركات المصنعة قد خطت خطوات كبيرة في السنوات الأخيرة، إلا أن GaN لا يزال يكافح من أجل تلبية متطلبات تصميم أشباه الموصلات الصارمة.

6. سوق أشباه الموصلات الطاقة

وبالمقارنة بالسيليكون، فإن تكنولوجيا التصنيع الحالية تحد من فعالية تكلفة نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، مما يجعل كلتا المادتين عاليتي الطاقة أكثر تكلفة على المدى القصير. ومع ذلك، تتمتع كلتا المادتين بمزايا قوية في تطبيقات محددة لأشباه الموصلات.

قد يكون كربيد السيليكون منتجًا أكثر فعالية على المدى القصير لأنه من الأسهل تصنيع رقائق أكبر حجمًا وأكثر تجانسًا من نيتريد الغاليوم. وبمرور الوقت، سوف تجد نيتريد الغاليوم مكانها في المنتجات الصغيرة عالية التردد نظرًا لحركيتها العالية للإلكترونات. سيكون كربيد السيليكون مرغوبًا أكثر في منتجات الطاقة الأكبر نظرًا لأن قدراته على الطاقة أعلى من التوصيل الحراري لنتريد الغاليوم.

نيتريد الغاليوم أد تتنافس أجهزة كربيد السيليكون مع دوائر MOSFET لأشباه موصلات السيليكون (LDMOS) وMOSFETs الفائقة. تتشابه أجهزة GaN وSiC في بعض النواحي، ولكن هناك أيضًا اختلافات كبيرة.

الشكل 1. العلاقة بين الجهد العالي والتيار العالي وتردد التبديل ومجالات التطبيق الرئيسية.

أشباه الموصلات واسعة النطاق

تتمتع أشباه الموصلات المركبة WBG بحركة إلكترون أعلى وطاقة فجوة نطاق أعلى، مما يترجم إلى خصائص متفوقة على السيليكون. تتمتع الترانزستورات المصنوعة من أشباه الموصلات المركبة WBG بجهد انهيار أعلى وتحمل لدرجات الحرارة المرتفعة. توفر هذه الأجهزة مزايا مقارنة بالسيليكون في تطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية.

الشكل 2. تعمل الدائرة المتتالية ذات القالب المزدوج FET على تحويل ترانزستور GaN إلى جهاز في وضع إيقاف التشغيل الطبيعي، مما يتيح تشغيل وضع التحسين القياسي في دوائر التبديل عالية الطاقة

تعمل ترانزستورات WBG أيضًا بشكل أسرع من السيليكون ويمكن أن تعمل بترددات أعلى. تعني مقاومة "التشغيل" المنخفضة أنها تبدد طاقة أقل، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة. هذا المزيج الفريد من الخصائص يجعل هذه الأجهزة جذابة لبعض الدوائر الأكثر تطلبًا في تطبيقات السيارات، وخاصة المركبات الهجينة والكهربائية.

ترانزستورات GaN وSiC لمواجهة التحديات في المعدات الكهربائية للسيارات

المزايا الرئيسية لأجهزة GaN وSiC: قدرة الجهد العالي، مع أجهزة 650 فولت و900 فولت و1200 فولت،

كربيد السيليكون:

أعلى 1700 فولت. 3300 فولت و 6500 فولت.

سرعات تبديل أسرع،

ارتفاع درجات حرارة التشغيل.

مقاومة أقل، والحد الأدنى من تبديد الطاقة، وكفاءة أعلى في استخدام الطاقة.

أجهزة الجاليوم

عند تبديل التطبيقات، تُفضل أجهزة وضع التحسين (أو الوضع E)، والتي عادةً ما تكون "متوقفة عن التشغيل"، مما أدى إلى تطوير أجهزة GaN ذات الوضع E. أولاً جاءت سلسلة جهازين FET (الشكل 2). الآن، تتوفر أجهزة GaN ذات الوضع الإلكتروني القياسي. يمكنهم التبديل بترددات تصل إلى 10 ميجاهرتز ومستويات طاقة تصل إلى عشرات الكيلووات.

تُستخدم أجهزة GaN على نطاق واسع في المعدات اللاسلكية كمضخمات طاقة بترددات تصل إلى 100 جيجا هرتز. بعض حالات الاستخدام الرئيسية هي مضخمات طاقة المحطة الأساسية الخلوية، والرادارات العسكرية، وأجهزة إرسال الأقمار الصناعية، وتضخيم الترددات اللاسلكية العامة. ومع ذلك، نظرًا للجهد العالي (حتى 1000 فولت)، وارتفاع درجة الحرارة، والتحويل السريع، فقد تم دمجها أيضًا في العديد من تطبيقات تحويل الطاقة مثل محولات DC-DC، والعاكسات، وشواحن البطاريات.

أجهزة كربيد السيليكون

ترانزستورات SiC هي دوائر MOSFET طبيعية ذات الوضع E. يمكن لهذه الأجهزة التبديل بترددات تصل إلى 1 ميجاهرتز وبمستويات جهد وتيار أعلى بكثير من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المصنوعة من السيليكون. يصل الحد الأقصى لجهد مصدر التصريف إلى حوالي 1800 فولت، وتبلغ القدرة الحالية 100 أمبير. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أجهزة SiC بمقاومة أقل بكثير من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المصنوعة من السيليكون، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى في جميع تطبيقات تحويل إمدادات الطاقة (تصميمات SMPS).

تتطلب أجهزة SiC محرك جهد البوابة من 18 إلى 20 فولت لتشغيل الجهاز بمقاومة منخفضة. تتطلب وحدات Si MOSFET القياسية أقل من 10 فولت عند البوابة لتشغيلها بالكامل. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب أجهزة SiC محرك بوابة من -3 إلى -5 فولت للتبديل إلى حالة إيقاف التشغيل. الجهد العالي، وقدرات التيار العالي لوحدات SiC MOSFETs تجعلها مثالية لدوائر الطاقة في السيارات.

في العديد من التطبيقات، يتم استبدال IGBTs بأجهزة SiC. يمكن لأجهزة SiC التبديل بترددات أعلى، مما يقلل من حجم وتكلفة المحاثات أو المحولات مع تحسين الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ SiC التعامل مع تيارات أعلى من GaN.

هناك منافسة بين أجهزة GaN وSiC، خاصة وحدات LDMOS MOSFET السيليكونية، ووحدات MOSFET الفائقة، وIGBTs. في العديد من التطبيقات، يتم استبدالها بترانزستورات GaN وSiC.

لتلخيص المقارنة بين GaN وSiC، إليك النقاط البارزة:

يتحول GaN بشكل أسرع من Si.

يعمل SiC بجهد أعلى من GaN.

يتطلب SiC الفولتية العالية لمحرك البوابة.

يمكن تحسين العديد من دوائر وأجهزة الطاقة من خلال التصميم باستخدام GaN وSiC. أحد أكبر المستفيدين هو النظام الكهربائي للسيارات. تحتوي السيارات الهجينة والكهربائية الحديثة على أجهزة يمكنها استخدام هذه الأجهزة. بعض التطبيقات الشائعة هي OBCs، ومحولات DC-DC، ومحركات المحركات، وLiDAR. يوضح الشكل 3 الأنظمة الفرعية الرئيسية في السيارات الكهربائية التي تتطلب ترانزستورات تحويل عالية الطاقة.

الشكل 3. شاحن WBG المدمج (OBC) للسيارات الهجينة والكهربائية. يتم تصحيح إدخال التيار المتردد، وتصحيح عامل الطاقة (PFC)، ومن ثم تحويل DC-DC

محول تيار مستمر-تيار مستمر. هذه دائرة طاقة تقوم بتحويل الجهد العالي للبطارية إلى جهد أقل لتشغيل الأجهزة الكهربائية الأخرى. يتراوح جهد البطارية اليوم ما يصل إلى 600 فولت أو 900 فولت. يقوم محول DC-DC بتخفيضه إلى 48 فولت أو 12 فولت، أو كليهما، لتشغيل المكونات الإلكترونية الأخرى (الشكل 3). في المركبات الكهربائية والكهربائية الهجينة (HEVEVs)، يمكن أيضًا استخدام DC-DC للحافلة ذات الجهد العالي بين حزمة البطارية والعاكس.

أجهزة الشحن الموجودة على متن الطائرة (OBCs). تحتوي المركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية الموصولة بالكهرباء على شاحن بطارية داخلي يمكن توصيله بمصدر التيار المتردد. وهذا يسمح بالشحن في المنزل دون الحاجة إلى شاحن AC-DC خارجي (الشكل 4).

محرك المحرك الرئيسي. محرك الدفع الرئيسي هو محرك تيار متردد عالي الإنتاجية يقوم بتشغيل عجلات السيارة. السائق عبارة عن عاكس يقوم بتحويل جهد البطارية إلى تيار متردد ثلاثي الطور لتشغيل المحرك.

الشكل 4. يتم استخدام محول DC-DC نموذجي لتحويل الفولتية العالية للبطارية إلى 12 فولت و/أو 48 فولت. ويتم استبدال IGBTs المستخدمة في الجسور ذات الجهد العالي بوحدات SiC MOSFETs.

توفر ترانزستورات GaN وSiC لمصممي السيارات الكهربائية مرونة وتصميمات أبسط بالإضافة إلى الأداء المتفوق بسبب خصائص الجهد العالي والتيار العالي والتحويل السريع.

VeTek Semiconductor هي شركة صينية محترفة لتصنيعطلاء كربيد التنتالوم, طلاء كربيد السيليكون, منتجات الجاليوم, الجرافيت الخاص, سيراميك كربيد السيليكونوسيراميك أشباه الموصلات الأخرى. تلتزم شركة VeTek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات الطلاء لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

الغوغاء/واتساب: +86-180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com