సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) మరియు గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) అప్లికేషన్‌ల మధ్య తేడా ఏమిటి? - VeTek సెమీకండక్టర్

SiCమరియుGaN"వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్స్" (WBG)గా సూచిస్తారు. ఉపయోగించిన ఉత్పత్తి ప్రక్రియ కారణంగా, WBG పరికరాలు క్రింది ప్రయోజనాలను చూపుతాయి:

1. వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్స్

గాలియం నైట్రైడ్ (GaN)మరియుసిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)బ్యాండ్‌గ్యాప్ మరియు బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ పరంగా సాపేక్షంగా సమానంగా ఉంటాయి. గాలియం నైట్రైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ 3.2 eV, సిలికాన్ కార్బైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ 3.4 eV. ఈ విలువలు ఒకేలా కనిపిస్తున్నప్పటికీ, అవి సిలికాన్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉన్నాయి. సిలికాన్ యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ 1.1 eV మాత్రమే, ఇది గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ కంటే మూడు రెట్లు చిన్నది. ఈ సమ్మేళనాల అధిక బ్యాండ్‌గ్యాప్‌లు గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్‌లు అధిక వోల్టేజ్ సర్క్యూట్‌లకు సౌకర్యవంతంగా మద్దతునిస్తాయి, అయితే అవి సిలికాన్ వంటి తక్కువ వోల్టేజ్ సర్క్యూట్‌లకు మద్దతు ఇవ్వలేవు.

2. బ్రేక్డౌన్ ఫీల్డ్ స్ట్రెంత్

గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్‌లు సాపేక్షంగా సమానంగా ఉంటాయి, గాలియం నైట్రైడ్ 3.3 MV/cm మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ 3.5 MV/cm కలిగి ఉంటుంది. ఈ బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్‌లు సాధారణ సిలికాన్ కంటే మెరుగైన వోల్టేజ్‌లను నిర్వహించడానికి సమ్మేళనాలను అనుమతిస్తాయి. సిలికాన్ 0.3 MV/cm యొక్క బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్‌ను కలిగి ఉంది, అంటే GaN మరియు SiC అధిక వోల్టేజ్‌లను కొనసాగించడంలో దాదాపు పది రెట్లు ఎక్కువ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి. వారు గణనీయంగా చిన్న పరికరాలను ఉపయోగించి తక్కువ వోల్టేజీలకు కూడా మద్దతు ఇవ్వగలరు.

3. హై ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ ట్రాన్సిస్టర్ (HEMT)

GaN మరియు SiC మధ్య అత్యంత ముఖ్యమైన వ్యత్యాసం వాటి ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ, ఇది సెమీకండక్టర్ పదార్థం ద్వారా ఎలక్ట్రాన్లు ఎంత వేగంగా కదులుతుందో సూచిస్తుంది. మొదట, సిలికాన్ 1500 cm^2/Vs ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీని కలిగి ఉంటుంది. GaN 2000 సెం అయినప్పటికీ, SiC 650 cm^2/Vs యొక్క ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీని కలిగి ఉంది, అంటే SiC యొక్క ఎలక్ట్రాన్లు GaN మరియు Si యొక్క ఎలక్ట్రాన్‌ల కంటే నెమ్మదిగా కదులుతాయి. అటువంటి అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీతో, అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ అనువర్తనాలకు GaN దాదాపు మూడు రెట్లు ఎక్కువ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఎలక్ట్రాన్లు SiC కంటే చాలా వేగంగా GaN సెమీకండక్టర్ల ద్వారా కదలగలవు.

4. GaN మరియు SiC యొక్క ఉష్ణ వాహకత

పదార్థం యొక్క ఉష్ణ వాహకత అనేది దాని ద్వారా వేడిని బదిలీ చేయగల సామర్థ్యం. థర్మల్ కండక్టివిటీ నేరుగా ఒక పదార్థం యొక్క ఉష్ణోగ్రతను ప్రభావితం చేస్తుంది, అది ఉపయోగించిన పర్యావరణాన్ని బట్టి ఉంటుంది. అధిక-శక్తి అనువర్తనాల్లో, పదార్థం యొక్క అసమర్థత వేడిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది, ఇది పదార్థం యొక్క ఉష్ణోగ్రతను పెంచుతుంది మరియు తదనంతరం దాని విద్యుత్ లక్షణాలను మారుస్తుంది. GaN 1.3 W/cmK యొక్క ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంది, ఇది వాస్తవానికి 1.5 W/cmK వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కంటే అధ్వాన్నంగా ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, SiC 5 W/cmK యొక్క ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంది, ఇది ఉష్ణ లోడ్లను బదిలీ చేయడంలో దాదాపు మూడు రెట్లు మెరుగ్గా ఉంటుంది. ఈ లక్షణం అధిక-శక్తి, అధిక-ఉష్ణోగ్రత అనువర్తనాల్లో SiCని అత్యంత ప్రయోజనకరంగా చేస్తుంది.

5. సెమీకండక్టర్ వేఫర్ తయారీ ప్రక్రియ

ప్రస్తుత ఉత్పాదక ప్రక్రియలు GaN మరియు SiC లకు పరిమితి కారకంగా ఉంటాయి ఎందుకంటే అవి విస్తృతంగా స్వీకరించబడిన సిలికాన్ తయారీ ప్రక్రియల కంటే ఖరీదైనవి, తక్కువ ఖచ్చితమైనవి లేదా ఎక్కువ శక్తితో కూడుకున్నవి. ఉదాహరణకు, GaN ఒక చిన్న ప్రాంతంలో పెద్ద సంఖ్యలో క్రిస్టల్ లోపాలను కలిగి ఉంటుంది. సిలికాన్, మరోవైపు, చదరపు సెంటీమీటర్‌కు 100 లోపాలను మాత్రమే కలిగి ఉంటుంది. సహజంగానే, ఈ భారీ లోపం రేటు GaNని అసమర్థంగా చేస్తుంది. తయారీదారులు ఇటీవలి సంవత్సరాలలో గొప్ప పురోగతి సాధించినప్పటికీ, GaN ఇప్పటికీ కఠినమైన సెమీకండక్టర్ డిజైన్ అవసరాలను తీర్చడానికి కష్టపడుతోంది.

6. పవర్ సెమీకండక్టర్ మార్కెట్

సిలికాన్‌తో పోలిస్తే, ప్రస్తుత తయారీ సాంకేతికత గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క వ్యయ-సమర్థతను పరిమితం చేస్తుంది, దీని వలన రెండు అధిక-శక్తి పదార్థాలు స్వల్పకాలంలో మరింత ఖరీదైనవి. అయినప్పటికీ, నిర్దిష్ట సెమీకండక్టర్ అప్లికేషన్లలో రెండు పదార్థాలు బలమైన ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి.

సిలికాన్ కార్బైడ్ స్వల్పకాలంలో మరింత ప్రభావవంతమైన ఉత్పత్తి కావచ్చు, ఎందుకంటే గాలియం నైట్రైడ్ కంటే పెద్ద మరియు ఏకరీతి SiC పొరలను తయారు చేయడం సులభం. కాలక్రమేణా, గాలియం నైట్రైడ్ దాని అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీని ఇచ్చిన చిన్న, అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ ఉత్పత్తులలో దాని స్థానాన్ని కనుగొంటుంది. సిలికాన్ కార్బైడ్ పెద్ద పవర్ ఉత్పత్తులలో మరింత కోరదగినదిగా ఉంటుంది, ఎందుకంటే దాని శక్తి సామర్థ్యాలు గాలియం నైట్రైడ్ యొక్క ఉష్ణ వాహకత కంటే ఎక్కువగా ఉంటాయి.

గాలియం నైట్రైడ్ ఒకd సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాలు సిలికాన్ సెమీకండక్టర్ (LDMOS) MOSFETలు మరియు సూపర్‌జంక్షన్ MOSFETలతో పోటీపడతాయి. GaN మరియు SiC పరికరాలు కొన్ని మార్గాల్లో సమానంగా ఉంటాయి, కానీ ముఖ్యమైన తేడాలు కూడా ఉన్నాయి.

మూర్తి 1. అధిక వోల్టేజ్, అధిక కరెంట్, స్విచ్చింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు ప్రధాన అప్లికేషన్ ప్రాంతాల మధ్య సంబంధం.

విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్స్

WBG సమ్మేళనం సెమీకండక్టర్లు అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ మరియు అధిక బ్యాండ్‌గ్యాప్ శక్తిని కలిగి ఉంటాయి, ఇది సిలికాన్‌పై ఉన్నతమైన లక్షణాలకు అనువదిస్తుంది. WBG సమ్మేళనం సెమీకండక్టర్ల నుండి తయారైన ట్రాన్సిస్టర్‌లు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజీలు మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతలకు సహనం కలిగి ఉంటాయి. ఈ పరికరాలు హై-వోల్టేజ్ మరియు హై-పవర్ అప్లికేషన్‌లలో సిలికాన్ కంటే ప్రయోజనాలను అందిస్తాయి.

మూర్తి 2. డ్యూయల్-డై డ్యూయల్-FET క్యాస్కేడ్ సర్క్యూట్ GaN ట్రాన్సిస్టర్‌ను సాధారణంగా-ఆఫ్ పరికరంగా మారుస్తుంది, ఇది అధిక-పవర్ స్విచింగ్ సర్క్యూట్‌లలో ప్రామాణిక మెరుగుదల-మోడ్ ఆపరేషన్‌ను అనుమతిస్తుంది.

WBG ట్రాన్సిస్టర్లు కూడా సిలికాన్ కంటే వేగంగా మారతాయి మరియు అధిక పౌనఃపున్యాల వద్ద పనిచేయగలవు. తక్కువ "ఆన్" నిరోధకత అంటే అవి తక్కువ శక్తిని వెదజల్లుతాయి, శక్తి సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తాయి. ఈ ప్రత్యేక లక్షణాల కలయిక ఆటోమోటివ్ అప్లికేషన్‌లలో, ముఖ్యంగా హైబ్రిడ్ మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల్లో అత్యంత డిమాండ్ ఉన్న కొన్ని సర్క్యూట్‌లకు ఈ పరికరాలను ఆకర్షణీయంగా చేస్తుంది.

ఆటోమోటివ్ ఎలక్ట్రికల్ పరికరాలలో సవాళ్లను ఎదుర్కోవడానికి GaN మరియు SiC ట్రాన్సిస్టర్‌లు

GaN మరియు SiC పరికరాల యొక్క ముఖ్య ప్రయోజనాలు: అధిక వోల్టేజ్ సామర్థ్యం, ​​650 V, 900 V మరియు 1200 V పరికరాలతో,

సిలికాన్ కార్బైడ్:

అధిక 1700V.3300V మరియు 6500V.

వేగంగా మారే వేగం,

అధిక ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతలు.

తక్కువ నిరోధకత, కనిష్ట శక్తి వెదజల్లడం మరియు అధిక శక్తి సామర్థ్యం.

GaN Devices

స్విచ్చింగ్ అప్లికేషన్‌లలో, సాధారణంగా "ఆఫ్" అయిన ఎన్‌హాన్స్‌మెంట్-మోడ్ (లేదా ఇ-మోడ్) పరికరాలకు ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది, ఇది E-మోడ్ GaN పరికరాల అభివృద్ధికి దారితీసింది. మొదట రెండు FET పరికరాల క్యాస్కేడ్ వచ్చింది (మూర్తి 2). ఇప్పుడు, ప్రామాణిక ఇ-మోడ్ GaN పరికరాలు అందుబాటులో ఉన్నాయి. వారు 10 MHz వరకు పౌనఃపున్యాల వద్ద మరియు పదుల కిలోవాట్ల వరకు శక్తి స్థాయిలలో మారవచ్చు.

GaN పరికరాలు వైర్‌లెస్ పరికరాలలో 100 GHz వరకు ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద పవర్ యాంప్లిఫైయర్‌లుగా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. సెల్యులార్ బేస్ స్టేషన్ పవర్ యాంప్లిఫైయర్‌లు, మిలిటరీ రాడార్లు, శాటిలైట్ ట్రాన్స్‌మిటర్లు మరియు సాధారణ RF యాంప్లిఫికేషన్ వంటి కొన్ని ప్రధాన వినియోగ కేసులు. అయినప్పటికీ, అధిక వోల్టేజ్ (1,000 V వరకు), అధిక ఉష్ణోగ్రత మరియు వేగంగా మారడం వలన, అవి DC-DC కన్వర్టర్లు, ఇన్వర్టర్లు మరియు బ్యాటరీ ఛార్జర్‌లు వంటి వివిధ స్విచ్చింగ్ పవర్ అప్లికేషన్‌లలో కూడా చేర్చబడ్డాయి.

SiC పరికరాలు

SiC ట్రాన్సిస్టర్లు సహజ E-మోడ్ MOSFETలు. ఈ పరికరాలు 1 MHz వరకు పౌనఃపున్యాల వద్ద మరియు వోల్టేజ్ మరియు ప్రస్తుత స్థాయిలలో సిలికాన్ MOSFETల కంటే చాలా ఎక్కువ మారవచ్చు. గరిష్ట కాలువ-మూల వోల్టేజ్ సుమారు 1,800 V వరకు ఉంటుంది మరియు ప్రస్తుత సామర్థ్యం 100 ఆంప్స్. అదనంగా, SiC పరికరాలు సిలికాన్ MOSFETల కంటే చాలా తక్కువ ఆన్-రెసిస్టెన్స్‌ను కలిగి ఉంటాయి, దీని ఫలితంగా అన్ని స్విచింగ్ పవర్ సప్లై అప్లికేషన్‌లలో (SMPS డిజైన్‌లు) అధిక సామర్థ్యం ఉంటుంది.

SiC పరికరాలకు తక్కువ ఆన్-రెసిస్టెన్స్‌తో పరికరాన్ని ఆన్ చేయడానికి 18 నుండి 20 వోల్ట్ల గేట్ వోల్టేజ్ డ్రైవ్ అవసరం. ప్రామాణిక Si MOSFETలు పూర్తిగా ఆన్ చేయడానికి గేట్ వద్ద 10 వోల్ట్‌ల కంటే తక్కువ అవసరం. అదనంగా, SiC పరికరాలకు ఆఫ్ స్థితికి మారడానికి -3 నుండి -5 V గేట్ డ్రైవ్ అవసరం. SiC MOSFETల యొక్క అధిక వోల్టేజ్, అధిక కరెంట్ సామర్థ్యాలు వాటిని ఆటోమోటివ్ పవర్ సర్క్యూట్‌లకు అనువైనవిగా చేస్తాయి.

అనేక అప్లికేషన్‌లలో, IGBTలు SiC పరికరాల ద్వారా భర్తీ చేయబడుతున్నాయి. SiC పరికరాలు అధిక పౌనఃపున్యాల వద్ద మారగలవు, సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తూ ఇండక్టర్‌లు లేదా ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల పరిమాణం మరియు ధరను తగ్గిస్తాయి. అదనంగా, SiC GaN కంటే అధిక ప్రవాహాలను నిర్వహించగలదు.

GaN మరియు SiC పరికరాల మధ్య పోటీ ఉంది, ముఖ్యంగా సిలికాన్ LDMOS MOSFETలు, సూపర్జంక్షన్ MOSFETలు మరియు IGBTలు. అనేక అప్లికేషన్‌లలో, అవి GaN మరియు SiC ట్రాన్సిస్టర్‌లచే భర్తీ చేయబడుతున్నాయి.

GaN vs. SiC పోలికను సంగ్రహించేందుకు, ఇక్కడ ముఖ్యాంశాలు ఉన్నాయి:

GaN Si కంటే వేగంగా మారుతుంది.

SiC GaN కంటే అధిక వోల్టేజీల వద్ద పనిచేస్తుంది.

SiCకి అధిక గేట్ డ్రైవ్ వోల్టేజీలు అవసరం.

GaN మరియు SiCతో డిజైన్ చేయడం ద్వారా అనేక పవర్ సర్క్యూట్‌లు మరియు పరికరాలను మెరుగుపరచవచ్చు. అతిపెద్ద లబ్ధిదారులలో ఒకటి ఆటోమోటివ్ ఎలక్ట్రికల్ సిస్టమ్. ఆధునిక హైబ్రిడ్ మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు ఈ పరికరాలను ఉపయోగించగల పరికరాలను కలిగి ఉంటాయి. OBCలు, DC-DC కన్వర్టర్‌లు, మోటార్ డ్రైవ్‌లు మరియు LiDAR కొన్ని ప్రముఖ అప్లికేషన్‌లు. అధిక శక్తి స్విచ్చింగ్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు అవసరమయ్యే ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలలోని ప్రధాన ఉపవ్యవస్థలను మూర్తి 3 సూచిస్తుంది.

మూర్తి 3.  హైబ్రిడ్ మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల కోసం WBG ఆన్-బోర్డ్ ఛార్జర్ (OBC). AC ఇన్‌పుట్ సరిదిద్దబడింది, పవర్ ఫ్యాక్టర్ సరిదిద్దబడింది (PFC), ఆపై DC-DC మార్చబడింది

DC-DC కన్వర్టర్. ఇది ఇతర విద్యుత్ పరికరాలను అమలు చేయడానికి అధిక బ్యాటరీ వోల్టేజీని తక్కువ వోల్టేజ్‌గా మార్చే పవర్ సర్క్యూట్. నేటి బ్యాటరీ వోల్టేజ్ 600V లేదా 900V వరకు ఉంటుంది. DC-DC కన్వర్టర్ ఇతర ఎలక్ట్రానిక్ భాగాల ఆపరేషన్ కోసం దానిని 48V లేదా 12V లేదా రెండింటికి తగ్గించింది (మూర్తి 3). హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రిక్ మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల్లో (HEVEVలు), DC-DCని బ్యాటరీ ప్యాక్ మరియు ఇన్వర్టర్ మధ్య ఉన్న అధిక-వోల్టేజ్ బస్సు కోసం కూడా ఉపయోగించవచ్చు.

ఆన్-బోర్డ్ ఛార్జర్‌లు (OBCలు). ప్లగ్-ఇన్ HEVEVలు మరియు EVలు అంతర్గత బ్యాటరీ ఛార్జర్‌ను కలిగి ఉంటాయి, వీటిని AC మెయిన్స్ సరఫరాకు కనెక్ట్ చేయవచ్చు. ఇది బాహ్య AC−DC ఛార్జర్ అవసరం లేకుండా ఇంట్లో ఛార్జింగ్‌ని అనుమతిస్తుంది (మూర్తి 4).

ప్రధాన డ్రైవ్ మోటార్ డ్రైవర్. ప్రధాన డ్రైవ్ మోటార్ వాహనం యొక్క చక్రాలను నడిపే అధిక-అవుట్‌పుట్ AC మోటార్. డ్రైవర్ అనేది మోటారును తిప్పడానికి బ్యాటరీ వోల్టేజీని మూడు-దశల ACకి మార్చే ఒక ఇన్వర్టర్.

మూర్తి 4. అధిక బ్యాటరీ వోల్టేజీలను 12 V మరియు/లేదా 48 Vకి మార్చడానికి ఒక సాధారణ DC-DC కన్వర్టర్ ఉపయోగించబడుతుంది. అధిక-వోల్టేజ్ వంతెనలలో ఉపయోగించే IGBTలు SiC MOSFETలచే భర్తీ చేయబడుతున్నాయి.

GaN మరియు SiC ట్రాన్సిస్టర్‌లు ఆటోమోటివ్ ఎలక్ట్రికల్ డిజైనర్‌లకు ఫ్లెక్సిబిలిటీ మరియు సరళమైన డిజైన్‌లతో పాటు వాటి అధిక వోల్టేజ్, అధిక కరెంట్ మరియు ఫాస్ట్ స్విచింగ్ లక్షణాల కారణంగా అత్యుత్తమ పనితీరును అందిస్తాయి.

VeTek సెమీకండక్టర్ ఒక ప్రొఫెషనల్ చైనీస్ తయారీదారుటాంటాలమ్ కార్బైడ్ పూత, సిలికాన్ కార్బైడ్ పూత, GaN ఉత్పత్తులు, ప్రత్యేక గ్రాఫైట్, సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్మరియుఇతర సెమీకండక్టర్ సిరామిక్స్. VeTek సెమీకండక్టర్ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమ కోసం వివిధ కోటింగ్ ఉత్పత్తుల కోసం అధునాతన పరిష్కారాలను అందించడానికి కట్టుబడి ఉంది.

మీకు ఏవైనా విచారణలు ఉంటే లేదా అదనపు వివరాలు కావాలంటే, దయచేసి మమ్మల్ని సంప్రదించడానికి సంకోచించకండి.

మాబ్/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

ఇమెయిల్: anny@veteksemi.com