¿Cuál es la diferencia entre las aplicaciones de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN)? - VeTek Semiconductor

SicyGaNSe conocen como "semiconductores de banda prohibida ancha" (WBG). Debido al proceso de producción utilizado, los dispositivos WBG presentan las siguientes ventajas:

1. Semiconductores de banda prohibida amplia

Nitruro de galio (GaN)ycarburo de silicio (SiC)son relativamente similares en términos de banda prohibida y campo de ruptura. La banda prohibida del nitruro de galio es de 3,2 eV, mientras que la banda prohibida del carburo de silicio es de 3,4 eV. Aunque estos valores parecen similares, son significativamente más altos que la banda prohibida del silicio. La banda prohibida del silicio es de sólo 1,1 eV, tres veces menor que la del nitruro de galio y el carburo de silicio. Las bandas prohibidas más altas de estos compuestos permiten que el nitruro de galio y el carburo de silicio soporten cómodamente circuitos de mayor voltaje, pero no pueden soportar circuitos de bajo voltaje como el silicio.

2. Fuerza de campo de descomposición

Los campos de ruptura del nitruro de galio y del carburo de silicio son relativamente similares, teniendo el nitruro de galio un campo de ruptura de 3,3 MV/cm y el carburo de silicio un campo de ruptura de 3,5 MV/cm. Estos campos de ruptura permiten que los compuestos manejen voltajes más altos significativamente mejor que el silicio normal. El silicio tiene un campo de ruptura de 0,3 MV/cm, lo que significa que GaN y SiC son casi diez veces más capaces de soportar voltajes más altos. También pueden soportar voltajes más bajos utilizando dispositivos significativamente más pequeños.

3. Transistor de alta movilidad electrónica (HEMT)

La diferencia más significativa entre GaN y SiC es su movilidad electrónica, que indica qué tan rápido se mueven los electrones a través del material semiconductor. Primero, el silicio tiene una movilidad electrónica de 1500 cm^2/Vs. El GaN tiene una movilidad electrónica de 2000 cm^2/Vs, lo que significa que los electrones se mueven más de un 30% más rápido que los electrones del silicio. Sin embargo, el SiC tiene una movilidad electrónica de 650 cm^2/Vs, lo que significa que los electrones del SiC se mueven más lentamente que los electrones del GaN y del Si. Con una movilidad electrónica tan alta, el GaN es casi tres veces más capaz para aplicaciones de alta frecuencia. Los electrones pueden moverse a través de semiconductores de GaN mucho más rápido que el SiC.

4. Conductividad térmica de GaN y Sic

La conductividad térmica de un material es su capacidad para transferir calor a través de sí mismo. La conductividad térmica afecta directamente a la temperatura de un material, dado el entorno en el que se utiliza. En aplicaciones de alta potencia, la ineficiencia del material genera calor, lo que eleva la temperatura del material y posteriormente cambia sus propiedades eléctricas. El GaN tiene una conductividad térmica de 1,3 W/cmK, que en realidad es peor que la del silicio, que tiene una conductividad de 1,5 W/cmK. Sin embargo, el SiC tiene una conductividad térmica de 5 W/cmK, lo que lo hace casi tres veces mejor en la transferencia de cargas de calor. Esta propiedad hace que el SiC sea muy ventajoso en aplicaciones de alta potencia y alta temperatura.

5. Proceso de fabricación de obleas semiconductoras

Los procesos de fabricación actuales son un factor limitante para GaN y SiC porque son más caros, menos precisos o consumen más energía que los procesos de fabricación de silicio ampliamente adoptados. Por ejemplo, GaN contiene una gran cantidad de defectos cristalinos en un área pequeña. El silicio, por el contrario, sólo puede contener 100 defectos por centímetro cuadrado. Obviamente, esta enorme tasa de defectos hace que el GaN sea ineficiente. Si bien los fabricantes han logrado grandes avances en los últimos años, GaN todavía lucha por cumplir con los estrictos requisitos de diseño de semiconductores.

6. Mercado de semiconductores de potencia

En comparación con el silicio, la tecnología de fabricación actual limita la rentabilidad del nitruro de galio y el carburo de silicio, lo que encarece ambos materiales de alta potencia a corto plazo. Sin embargo, ambos materiales tienen grandes ventajas en aplicaciones específicas de semiconductores.

El carburo de silicio puede ser un producto más eficaz a corto plazo porque es más fácil fabricar obleas de SiC más grandes y uniformes que el nitruro de galio. Con el tiempo, el nitruro de galio encontrará su lugar en productos pequeños y de alta frecuencia dada su mayor movilidad electrónica. El carburo de silicio será más deseable en productos energéticos más grandes porque sus capacidades energéticas son mayores que la conductividad térmica del nitruro de galio.

Nitruro de galio yLos dispositivos de carburo de silicio d compiten con los MOSFET de semiconductores de silicio (LDMOS) y los MOSFET de superunión. Los dispositivos GaN y SiC son similares en algunos aspectos, pero también existen diferencias significativas.

Figura 1. La relación entre alto voltaje, alta corriente, frecuencia de conmutación y principales áreas de aplicación.

Semiconductores de banda prohibida amplia

Los semiconductores compuestos WBG tienen una mayor movilidad de electrones y una mayor energía de banda prohibida, lo que se traduce en propiedades superiores a las del silicio. Los transistores fabricados con semiconductores compuestos WBG tienen mayores voltajes de ruptura y tolerancia a altas temperaturas. Estos dispositivos ofrecen ventajas sobre el silicio en aplicaciones de alto voltaje y alta potencia.

Figura 2. Un circuito en cascada de doble matriz FET convierte un transistor GaN en un dispositivo normalmente apagado, lo que permite el funcionamiento en modo de mejora estándar en circuitos de conmutación de alta potencia.

Los transistores WBG también conmutan más rápido que el silicio y pueden funcionar a frecuencias más altas. Una menor resistencia al encendido significa que disipan menos energía, lo que mejora la eficiencia energética. Esta combinación única de características hace que estos dispositivos sean atractivos para algunos de los circuitos más exigentes en aplicaciones automotrices, particularmente vehículos híbridos y eléctricos.

Transistores GaN y SiC para enfrentar los desafíos en equipos eléctricos automotrices

Beneficios clave de los dispositivos GaN y SiC: Capacidad de alto voltaje, con dispositivos de 650 V, 900 V y 1200 V,

Carburo de silicio:

Mayor 1700V.3300V y 6500V.

Velocidades de conmutación más rápidas,

Temperaturas de funcionamiento más altas.

Menor resistencia, mínima disipación de energía y mayor eficiencia energética.

Dispositivos GaN

En las aplicaciones de conmutación, se prefieren los dispositivos en modo de mejora (o modo E), que normalmente están "apagados", lo que llevó al desarrollo de dispositivos GaN en modo E. Primero vino la cascada de dos dispositivos FET (Figura 2). Ahora, los dispositivos GaN en modo electrónico estándar están disponibles. Pueden conmutar a frecuencias de hasta 10 MHz y niveles de potencia de hasta decenas de kilovatios.

Los dispositivos GaN se utilizan ampliamente en equipos inalámbricos como amplificadores de potencia en frecuencias de hasta 100 GHz. Algunos de los principales casos de uso son amplificadores de potencia de estaciones base celulares, radares militares, transmisores satelitales y amplificación de RF en general. Sin embargo, debido al alto voltaje (hasta 1000 V), la alta temperatura y la conmutación rápida, también se incorporan en diversas aplicaciones de potencia de conmutación, como convertidores CC-CC, inversores y cargadores de baterías.

Dispositivos de Sic

Los transistores de SiC son MOSFET de modo E naturales. Estos dispositivos pueden conmutar a frecuencias de hasta 1 MHz y a niveles de voltaje y corriente mucho más altos que los MOSFET de silicio. El voltaje máximo de la fuente de drenaje es de hasta aproximadamente 1800 V y la capacidad de corriente es de 100 amperios. Además, los dispositivos de SiC tienen una resistencia de encendido mucho menor que los MOSFET de silicio, lo que resulta en una mayor eficiencia en todas las aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas (diseños SMPS).

Los dispositivos de SiC requieren un voltaje de puerta de 18 a 20 voltios para encender el dispositivo con baja resistencia de encendido. Los MOSFET de Si estándar requieren menos de 10 voltios en la puerta para encenderse completamente. Además, los dispositivos de SiC requieren un controlador de puerta de -3 a -5 V para cambiar al estado de apagado. Las capacidades de alto voltaje y alta corriente de los MOSFET de SiC los hacen ideales para circuitos de potencia de automóviles.

En muchas aplicaciones, los IGBT están siendo sustituidos por dispositivos de SiC. Los dispositivos de SiC pueden conmutar a frecuencias más altas, lo que reduce el tamaño y el costo de los inductores o transformadores y, al mismo tiempo, mejora la eficiencia. Además, el SiC puede soportar corrientes más altas que el GaN.

Existe competencia entre los dispositivos de GaN y SiC, especialmente los MOSFET LDMOS de silicio, los MOSFET de superunión y los IGBT. En muchas aplicaciones, están siendo sustituidos por transistores de GaN y SiC.

Para resumir la comparación entre GaN y SiC, estos son los aspectos más destacados:

GaN cambia más rápido que Si.

El SiC opera a voltajes más altos que el GaN.

El SiC requiere altos voltajes de accionamiento de puerta.

Muchos circuitos y dispositivos de potencia se pueden mejorar diseñándolos con GaN y SiC. Uno de los mayores beneficiarios es el sistema eléctrico del automóvil. Los vehículos híbridos y eléctricos modernos contienen dispositivos que pueden utilizar estos dispositivos. Algunas de las aplicaciones populares son OBC, convertidores CC-CC, variadores de motor y LiDAR. La Figura 3 señala los principales subsistemas de los vehículos eléctricos que requieren transistores de conmutación de alta potencia.

Figura 3. Cargador de a bordo (OBC) WBG para vehículos híbridos y eléctricos. La entrada de CA se rectifica, se corrige el factor de potencia (PFC) y luego se convierte CC-CC

Convertidor CC-CC. Este es un circuito de energía que convierte el voltaje alto de la batería en un voltaje más bajo para hacer funcionar otros dispositivos eléctricos. El voltaje de la batería actual varía hasta 600 V o 900 V. El convertidor CC-CC lo reduce a 48 V o 12 V, o ambos, para el funcionamiento de otros componentes electrónicos (Figura 3). En los vehículos híbridos eléctricos y eléctricos (HEVEV), DC-DC también se puede utilizar para el bus de alto voltaje entre el paquete de baterías y el inversor.

Cargadores a bordo (OBC). Los HEVEV y EV enchufables contienen un cargador de batería interno que se puede conectar a una fuente de alimentación de CA. Esto permite cargar en casa sin necesidad de un cargador externo AC-DC (Figura 4).

Controlador del motor de accionamiento principal. El motor de accionamiento principal es un motor de CA de alto rendimiento que impulsa las ruedas del vehículo. El controlador es un inversor que convierte el voltaje de la batería en CA trifásica para hacer girar el motor.

Figura 4. Se utiliza un convertidor CC-CC típico para convertir voltajes altos de batería a 12 V y/o 48 V. Los IGBT utilizados en puentes de alto voltaje están siendo reemplazados por MOSFET de SiC.

Los transistores GaN y SiC ofrecen a los diseñadores eléctricos automotrices flexibilidad y diseños más simples, así como un rendimiento superior debido a sus características de alto voltaje, alta corriente y conmutación rápida.

VeTek Semiconductor es un fabricante chino profesional deRecubrimiento de carburo de tantalio, Recubrimiento de carburo de silicio, Productos GaN, Grafito especial, Cerámica de carburo de silicioyOtras cerámicas semiconductoras. VeTek Semiconductor se compromete a proporcionar soluciones avanzadas para diversos productos de recubrimiento para la industria de semiconductores.

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