Apa perbedaan antara aplikasi silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN)? - Semikonduktor VeTek

SiCDanGaNdisebut sebagai "semikonduktor celah pita lebar" (WBG). Karena proses produksi yang digunakan, perangkat WBG menunjukkan keunggulan sebagai berikut:

1. Semikonduktor Celah Pita Lebar

Galium nitrida (GaN)Dansilikon karbida (SiC)relatif sama dalam hal celah pita dan bidang kerusakan. Celah pita galium nitrida adalah 3,2 eV, sedangkan celah pita silikon karbida adalah 3,4 eV. Meskipun nilai-nilai ini tampak serupa, namun secara signifikan lebih tinggi dibandingkan celah pita silikon. Celah pita silikon hanya 1,1 eV, tiga kali lebih kecil dibandingkan galium nitrida dan silikon karbida. Celah pita yang lebih tinggi dari senyawa ini memungkinkan galium nitrida dan silikon karbida dengan nyaman mendukung rangkaian tegangan tinggi, namun tidak dapat mendukung rangkaian tegangan rendah seperti silikon.

2. Kerusakan Kekuatan Medan

Bidang pemecahan galium nitrida dan silikon karbida relatif sama, dengan galium nitrida memiliki bidang pemecahan 3,3 MV/cm dan silikon karbida memiliki bidang pemecahan 3,5 MV/cm. Bidang kerusakan ini memungkinkan senyawa untuk menangani tegangan lebih tinggi secara signifikan lebih baik daripada silikon biasa. Silikon memiliki medan tembus sebesar 0,3 MV/cm, yang berarti GaN dan SiC hampir sepuluh kali lebih mampu menahan tegangan lebih tinggi. Mereka juga mampu mendukung tegangan rendah menggunakan perangkat yang jauh lebih kecil.

3. Transistor Mobilitas Elektron Tinggi (HEMT)

Perbedaan paling signifikan antara GaN dan SiC adalah mobilitas elektronnya, yang menunjukkan seberapa cepat elektron bergerak melalui material semikonduktor. Pertama, silikon memiliki mobilitas elektron 1500 cm^2/Vs. GaN memiliki mobilitas elektron sebesar 2000 cm^2/Vs, yang berarti elektron bergerak lebih dari 30% lebih cepat dibandingkan elektron silikon. Namun SiC memiliki mobilitas elektron sebesar 650 cm^2/Vs, yang berarti elektron SiC bergerak lebih lambat dibandingkan elektron GaN dan Si. Dengan mobilitas elektron yang tinggi, GaN hampir tiga kali lebih mampu untuk aplikasi frekuensi tinggi. Elektron dapat berpindah melalui semikonduktor GaN jauh lebih cepat daripada SiC.

4. Konduktivitas Termal GaN dan SiC

Konduktivitas termal suatu bahan adalah kemampuannya untuk mentransfer panas melalui dirinya sendiri. Konduktivitas termal secara langsung mempengaruhi suhu suatu bahan, mengingat lingkungan di mana bahan tersebut digunakan. Dalam aplikasi daya tinggi, ketidakefisienan material menghasilkan panas, yang meningkatkan suhu material dan selanjutnya mengubah sifat listriknya. GaN memiliki konduktivitas termal sebesar 1,3 W/cmK, yang sebenarnya lebih buruk dibandingkan silikon yang memiliki konduktivitas 1,5 W/cmK. Namun, SiC memiliki konduktivitas termal sebesar 5 W/cmK, membuatnya hampir tiga kali lebih baik dalam mentransfer beban panas. Properti ini membuat SiC sangat menguntungkan dalam aplikasi berkekuatan tinggi dan bersuhu tinggi.

5. Proses Pembuatan Wafer Semikonduktor

Proses manufaktur saat ini merupakan faktor pembatas bagi GaN dan SiC karena lebih mahal, kurang presisi, atau lebih boros energi dibandingkan proses manufaktur silikon yang banyak digunakan. Misalnya, GaN mengandung sejumlah besar cacat kristal pada area kecil. Sebaliknya, silikon hanya dapat mengandung 100 cacat per sentimeter persegi. Tentu saja, tingkat kerusakan yang besar ini membuat GaN tidak efisien. Meskipun produsen telah membuat kemajuan besar dalam beberapa tahun terakhir, GaN masih berjuang untuk memenuhi persyaratan desain semikonduktor yang ketat.

6. Pasar Semikonduktor Tenaga

Dibandingkan dengan silikon, teknologi manufaktur saat ini membatasi efektivitas biaya galium nitrida dan silikon karbida, sehingga menjadikan kedua bahan berdaya tinggi tersebut lebih mahal dalam jangka pendek. Namun, kedua material tersebut memiliki keunggulan kuat dalam aplikasi semikonduktor tertentu.

Silikon karbida mungkin merupakan produk yang lebih efektif dalam jangka pendek karena lebih mudah untuk memproduksi wafer SiC yang lebih besar dan seragam dibandingkan galium nitrida. Seiring waktu, galium nitrida akan menemukan tempatnya dalam produk kecil berfrekuensi tinggi karena mobilitas elektronnya yang lebih tinggi. Silikon karbida akan lebih diminati dalam produk-produk bertenaga besar karena kemampuan dayanya lebih tinggi daripada konduktivitas termal galium nitrida.

Gallium nitrida and perangkat silikon karbida bersaing dengan MOSFET semikonduktor silikon (LDMOS) dan MOSFET superjungsi. Perangkat GaN dan SiC serupa dalam beberapa hal, namun terdapat juga perbedaan yang signifikan.

Gambar 1. Hubungan antara tegangan tinggi, arus tinggi, frekuensi switching, dan area aplikasi utama.

Semikonduktor Celah Pita Lebar

Semikonduktor senyawa WBG memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi dan energi celah pita yang lebih tinggi, yang berarti sifat yang lebih unggul dibandingkan silikon. Transistor yang terbuat dari semikonduktor senyawa WBG memiliki tegangan rusaknya lebih tinggi dan toleransi terhadap suhu tinggi. Perangkat ini menawarkan keunggulan dibandingkan silikon dalam aplikasi tegangan tinggi dan daya tinggi.

Gambar 2. Sirkuit kaskade dual-FET dual-die mengubah transistor GaN menjadi perangkat yang biasanya mati, memungkinkan operasi mode peningkatan standar dalam sirkuit switching daya tinggi

Transistor WBG juga beralih lebih cepat daripada silikon dan dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Resistensi “hidup” yang lebih rendah berarti daya yang dihamburkan lebih sedikit, sehingga meningkatkan efisiensi energi. Kombinasi karakteristik unik ini menjadikan perangkat ini menarik untuk beberapa sirkuit yang paling menuntut dalam aplikasi otomotif, khususnya kendaraan hibrida dan listrik.

Transistor GaN dan SiC untuk memenuhi tantangan dalam peralatan listrik otomotif

Manfaat utama perangkat GaN dan SiC: Kemampuan tegangan tinggi, dengan perangkat 650 V, 900 V, dan 1200 V,

Silikon karbida:

Lebih tinggi 1700V.3300V dan 6500V.

Kecepatan peralihan lebih cepat,

Temperatur pengoperasian yang lebih tinggi.

Resistansi lebih rendah, disipasi daya minimal, dan efisiensi energi lebih tinggi.

Perangkat GaN

Dalam peralihan aplikasi, perangkat mode peningkatan (atau mode E), yang biasanya “mati”, lebih disukai, yang mengarah pada pengembangan perangkat E-mode GaN. Yang pertama adalah rangkaian dua perangkat FET (Gambar 2). Sekarang, perangkat e-mode GaN standar telah tersedia. Mereka dapat beralih pada frekuensi hingga 10 MHz dan tingkat daya hingga puluhan kilowatt.

Perangkat GaN banyak digunakan pada peralatan nirkabel sebagai penguat daya pada frekuensi hingga 100 GHz. Beberapa kasus penggunaan utama adalah penguat daya stasiun pangkalan seluler, radar militer, pemancar satelit, dan amplifikasi RF umum. Namun, karena tegangan tinggi (hingga 1.000 V), suhu tinggi, dan peralihan cepat, mereka juga dimasukkan ke dalam berbagai aplikasi daya peralihan seperti konverter DC-DC, inverter, dan pengisi daya baterai.

Perangkat SiC

Transistor SiC adalah MOSFET mode-E alami. Perangkat ini dapat beralih pada frekuensi hingga 1 MHz dan pada tingkat tegangan dan arus yang jauh lebih tinggi daripada MOSFET silikon. Tegangan sumber pembuangan maksimum mencapai sekitar 1.800 V, dan kemampuan arus adalah 100 amp. Selain itu, perangkat SiC memiliki resistansi yang jauh lebih rendah dibandingkan MOSFET silikon, sehingga menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi di semua aplikasi catu daya switching (desain SMPS).

Perangkat SiC memerlukan penggerak tegangan gerbang 18 hingga 20 volt untuk menghidupkan perangkat dengan resistansi rendah. MOSFET Si standar memerlukan kurang dari 10 volt di gerbang untuk menyala sepenuhnya. Selain itu, perangkat SiC memerlukan penggerak gerbang -3 hingga -5 V untuk beralih ke keadaan mati. Kemampuan MOSFET SiC bertegangan tinggi dan arus tinggi menjadikannya ideal untuk sirkuit daya otomotif.

Dalam banyak aplikasi, IGBT digantikan oleh perangkat SiC. Perangkat SiC dapat beralih pada frekuensi yang lebih tinggi, mengurangi ukuran dan biaya induktor atau transformator sekaligus meningkatkan efisiensi. Selain itu, SiC dapat menangani arus yang lebih tinggi daripada GaN.

Terdapat persaingan antara perangkat GaN dan SiC, terutama MOSFET LDMOS silikon, MOSFET superjungsi, dan IGBT. Dalam banyak aplikasi, transistor ini digantikan oleh transistor GaN dan SiC.

Untuk meringkas perbandingan GaN vs. SiC, berikut adalah hal-hal penting:

GaN beralih lebih cepat dari Si.

SiC beroperasi pada tegangan lebih tinggi dari GaN.

SiC membutuhkan tegangan penggerak gerbang yang tinggi.

Banyak rangkaian daya dan perangkat dapat ditingkatkan dengan mendesain menggunakan GaN dan SiC. Salah satu penerima manfaat terbesar adalah sistem kelistrikan otomotif. Kendaraan hibrida dan listrik modern memiliki perangkat yang dapat menggunakan perangkat tersebut. Beberapa aplikasi yang populer adalah OBC, konverter DC-DC, penggerak motor, dan LiDAR. Gambar 3 menunjukkan subsistem utama pada kendaraan listrik yang memerlukan transistor switching daya tinggi.

Gambar 3.  Pengisi daya terpasang (OBC) WBG untuk kendaraan hibrida dan listrik. Input AC diperbaiki, faktor daya dikoreksi (PFC), dan kemudian DC-DC diubah

Konverter DC-DC. Ini adalah rangkaian daya yang mengubah tegangan baterai tinggi menjadi tegangan rendah untuk menjalankan perangkat listrik lainnya. Tegangan baterai saat ini berkisar hingga 600V atau 900V. Konverter DC-DC menurunkannya menjadi 48V atau 12V, atau keduanya, untuk pengoperasian komponen elektronik lainnya (Gambar 3). Pada kendaraan listrik dan listrik hibrida (HEVEV), DC-DC juga dapat digunakan untuk bus tegangan tinggi antara baterai dan inverter.

Pengisi daya terpasang (OBC). HEVEV dan EV plug-in berisi pengisi daya baterai internal yang dapat dihubungkan ke sumber listrik AC. Hal ini memungkinkan pengisian daya di rumah tanpa memerlukan pengisi daya AC−DC eksternal (Gambar 4).

Penggerak motor penggerak utama. Motor penggerak utama adalah motor AC keluaran tinggi yang menggerakkan roda kendaraan. Penggeraknya adalah inverter yang mengubah tegangan baterai menjadi AC tiga fasa untuk memutar motor.

Gambar 4. Konverter DC-DC biasa digunakan untuk mengubah tegangan baterai tinggi menjadi 12 V dan/atau 48 V. IGBT yang digunakan pada jembatan tegangan tinggi digantikan oleh MOSFET SiC.

Transistor GaN dan SiC menawarkan fleksibilitas dan desain yang lebih sederhana kepada perancang kelistrikan otomotif serta kinerja yang unggul karena karakteristik peralihannya yang cepat, tegangan tinggi, dan arus tinggi.

VeTek Semiconductor adalah produsen Cina profesionalLapisan Tantalum Karbida, Lapisan Silikon Karbida, produk GaN, Grafit Khusus, Keramik Silikon KarbidaDanKeramik Semikonduktor Lainnya. VeTek Semiconductor berkomitmen untuk menyediakan solusi canggih untuk berbagai produk Pelapisan untuk industri semikonduktor.

Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Massa/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Surel: anny@veteksemi.com