실리콘 카바이드 (SIC)와 질화 갈륨 (GAN) 응용 분야의 차이점은 무엇입니까? - Vetek 반도체

sic그리고GaN'와이드 밴드갭 반도체(WBG)'라고 불린다. 사용된 생산 공정으로 인해 WBG 장치는 다음과 같은 장점을 보여줍니다.

1. 넓은 밴드 갭 반도체

질화갈륨(GaN)그리고실리콘 카바이드 (sic)밴드 갭 및 고장 필드 측면에서 비교적 유사합니다. 질화 갈륨의 밴드 갭은 3.2 eV이고, 실리콘 카바이드의 밴드 갭은 3.4 eV이다. 이러한 값은 비슷하게 보이지만 실리콘의 밴드 갭보다 상당히 높습니다. 실리콘의 밴드 갭은 1.1 eV에 불과하며, 이는 질화 갈륨 및 실리콘 카바이드의 갈륨보다 3 배 더 작습니다. 이들 화합물의 더 높은 밴드 갭은 질화 갈륨 및 실리콘 카바이드가 고전압 회로를 편안하게지지 할 수 있지만 실리콘과 같은 저전압 회로를지지 할 수는 없다.

2. 고장 필드 강도

질화갈륨과 탄화규소의 항복 전계는 상대적으로 유사하며, 질화갈륨의 항복 전계는 3.3MV/cm이고 탄화규소의 항복 전계는 3.5MV/cm입니다. 이러한 항복 필드를 통해 화합물은 일반 실리콘보다 훨씬 더 높은 전압을 처리할 수 있습니다. 실리콘의 항복 필드는 0.3MV/cm입니다. 이는 GaN과 SiC가 더 높은 전압을 견딜 수 있는 능력이 거의 10배 더 높다는 것을 의미합니다. 또한 훨씬 더 작은 장치를 사용하여 더 낮은 전압을 지원할 수도 있습니다.

3. 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)

GAN과 SIC의 가장 중요한 차이점은 전자 이동성이며, 이는 전자가 반도체 재료를 통해 얼마나 빨리 이동하는지를 나타냅니다. 먼저, 실리콘의 전자 이동성은 1500 cm^2/vs입니다. GAN의 전자 이동성은 2000 cm^2/vs의 전자 이동성을 가지고 있으며, 이는 전자가 실리콘 전자보다 30% 이상 빠르게 움직입니다. 그러나 SIC는 650 cm^2/vs의 전자 이동성을 가지므로 SIC의 전자는 Gan과 Si의 전자보다 느리게 움직입니다. 이러한 높은 전자 이동성으로 GAN은 고주파 응용 분야에 거의 3 배 더 능력이 있습니다. 전자는 GAN 반도체를 통해 SIC보다 훨씬 빠르게 이동할 수 있습니다.

4. 간과 sic의 열전도율

재료의 열전도율은 그 자체를 통해 열을 전달하는 능력입니다. 열전도율은 사용되는 환경을 고려할 때 재료의 온도에 직접 영향을 미칩니다. 고출력 적용에서 재료의 비 효율성은 열을 생성하여 재료의 온도를 높이고 그 후 전기 특성을 변화시킵니다. GAN의 열전도율은 1.3 w/cmk이며, 이는 실제로 1.5 w/cmk의 전도도를 갖는 실리콘보다 더 나쁩니다. 그러나 SIC의 열전도율은 5 w/cmk의 열전도율을 가지므로 열 하중을 전달하는 데 거의 3 배 더 좋습니다. 이 속성은 고출력 고온 응용 분야에서 SIC가 매우 유리하게 만듭니다.

5. 반도체 웨이퍼 제조 공정

현재 제조 공정은 GAN 및 SIC의 제한 요소입니다. 왜냐하면 널리 채택 된 실리콘 제조 공정보다 비싸거나 정확하지 않거나 에너지 집약적이기 때문입니다. 예를 들어, GAN에는 작은 영역에 많은 수의 결정 결함이 포함되어 있습니다. 반면에 실리콘은 평방 센티미터 당 100 개의 결함 만 포함 할 수 있습니다. 분명히,이 큰 결함 속도는 Gan이 비효율적입니다. 최근 몇 년 동안 제조업체가 큰 진전을 보였지만 Gan은 여전히 ​​엄격한 반도체 설계 요구 사항을 충족시키기 위해 고군분투하고 있습니다.

6. 전력반도체 시장

실리콘에 비해 현재 제조 기술은 질화갈륨과 탄화규소의 비용 효율성을 제한하므로 두 고전력 재료 모두 단기적으로 더 비싸집니다. 그러나 두 재료 모두 특정 반도체 응용 분야에서 강력한 장점을 가지고 있습니다.

실리콘 카바이드는 질화 갈륨보다 더 크고 균일 한 Sic 웨이퍼를 제조하기가 더 쉽기 때문에 단기적으로보다 효과적인 제품 일 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 질화 갈륨은 전자 이동성이 높을수록 소규모 고주파 제품에서 자리를 차지할 것입니다. 전력 능력이 질화 질화물의 열전도율보다 높기 때문에 더 큰 전력 제품에서는 탄화물이 더 바람직 할 것입니다.

질화갈륨D 실리콘 카바이드 장치는 실리콘 반도체 (LDMOS) MOSFET 및 초기 MOSFET과 경쟁합니다. 간과 SIC 장치는 어떤면에서 유사하지만 상당한 차이가 있습니다.

그림 1. 고전압, 고전류, 스위칭 주파수 및 주요 응용 분야 간의 관계.

와이드 밴드갭 반도체

WBG 화합물 반도체는 더 높은 전자 이동성과 더 높은 밴드 갭 에너지를 가지며, 이는 실리콘보다 우수한 특성으로 해석된다. WBG 화합물 반도체로 만든 트랜지스터는 고온 전압 및 고온에 대한 내성을 갖는다. 이 장치는 고전압 및 고전력 응용 분야에서 실리콘보다 이점을 제공합니다.

그림 2. 듀얼 디 듀얼 페트 캐스케이드 회로는 GAN 트랜지스터를 정상적인 장치로 변환하여 고출력 스위칭 회로에서 표준 향상 모드 작동을 가능하게합니다.

WBG 트랜지스터도 실리콘보다 빠르게 전환되며 더 높은 주파수에서 작동 할 수 있습니다. "온"저항이 낮아짐에 따라 전력이 덜 소산되어 에너지 효율이 향상됩니다. 이러한 독특한 특성 조합은 자동차 응용 분야, 특히 하이브리드 및 전기 자동차에서 가장 까다로운 회로 에이 장치를 매력적으로 만듭니다.

자동차 전기 장비의 과제를 해결하는 GaN 및 SiC 트랜지스터

GAN 및 SIC 장치의 주요 이점 : 650V, 900V 및 1200V 장치의 고전압 기능,

실리콘 카바이드:

더 높은 1700V.3300V 및 6500V.

더 빠른 전환 속도,

더 높은 작동 온도.

저항이 낮아지고 전력 손실이 최소화되며 에너지 효율이 높아집니다.

GaN 장치

응용 프로그램을 전환 할 때, 일반적으로 "OFF"인 Enhancement-Mode (또는 E- 모드) 장치가 선호되어 E- 모드 GAN 장치의 개발로 이어졌습니다. 먼저 두 개의 FET 장치의 계단식이 나왔습니다 (그림 2). 이제 표준 전자 모드 GAN 장치를 사용할 수 있습니다. 최대 10MHz의 주파수로 전환 할 수 있으며 최대 수십 킬로와트까지 전력 레벨을 전환 할 수 있습니다.

GaN 장치는 최대 100GHz 주파수의 전력 증폭기로 무선 장비에 널리 사용됩니다. 주요 사용 사례로는 셀룰러 기지국 전력 증폭기, 군용 레이더, 위성 송신기 및 일반 RF 증폭 등이 있습니다. 그러나 고전압(최대 1,000V), 고온 및 빠른 스위칭으로 인해 DC-DC 컨버터, 인버터 및 배터리 충전기와 같은 다양한 스위칭 전력 애플리케이션에도 통합됩니다.

SIC 장치

sic 트랜지스터는 자연스러운 E-모드 MOSFET입니다. 이 장치는 최대 1MHz의 주파수와 실리콘 MOSFET보다 훨씬 높은 전압 및 전류 레벨에서 스위칭할 수 있습니다. 최대 드레인-소스 전압은 최대 약 1,800V이고 전류 용량은 100A입니다. 또한 SiC 장치는 실리콘 MOSFET보다 온 저항이 훨씬 낮기 때문에 모든 스위칭 전원 공급 장치 애플리케이션(SMPS 설계)에서 효율성이 더 높습니다.

sic 장치는 낮은 온 저항으로 장치를 켜기 위해 18~20V의 게이트 전압 구동이 필요합니다. 표준 Si MOSFET이 완전히 켜지려면 게이트에서 10V 미만의 전압이 필요합니다. 또한 SiC 장치를 끄기 상태로 전환하려면 -3~-5V 게이트 드라이브가 필요합니다. SiC MOSFET의 고전압, 고전류 성능은 자동차 전력 회로에 이상적입니다.

많은 애플리케이션에서 IGBT는 SiC 장치로 대체되고 있습니다. SiC 장치는 더 높은 주파수에서 전환하여 인덕터 또는 변압기의 크기와 비용을 줄이면서 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 SiC는 GaN보다 더 높은 전류를 처리할 수 있습니다.

GaN과 SiC 장치, 특히 실리콘 LDMOS MOSFET, 초접합 MOSFET 및 IGBT 사이에는 경쟁이 있습니다. 많은 응용 분야에서 GaN 및 SiC 트랜지스터로 대체되고 있습니다.

GaN과 SiC 비교를 요약하면 다음과 같습니다.

GaN은 Si보다 빠르게 전환됩니다.

SIC는 GAN보다 높은 전압에서 작동합니다.

SIC에는 높은 게이트 구동 전압이 필요합니다.

GaN 및 SiC로 설계하면 많은 전력 회로와 장치를 개선할 수 있습니다. 가장 큰 수혜자 중 하나는 자동차 전장 시스템이다. 최신 하이브리드 및 전기 자동차에는 이러한 장치를 사용할 수 있는 장치가 포함되어 있습니다. 널리 사용되는 애플리케이션으로는 OBC, DC-DC 컨버터, 모터 드라이브, LiDAR 등이 있습니다. 그림 3은 고전력 스위칭 트랜지스터가 필요한 전기 자동차의 주요 하위 시스템을 보여줍니다.

그림 3.  하이브리드 및 전기 자동차용 WBG 온보드 충전기(OBC). AC 입력이 정류되고 역률이 보정된(PFC) 후 DC-DC로 변환됩니다.

DC-DC 변환기. 이것은 높은 배터리 전압을 낮은 전압으로 변환하여 다른 전기 장치를 실행하는 전력 회로입니다. 오늘날의 배터리 전압은 최대 600V 또는 900V입니다. DC-DC 변환기는 다른 전자 부품의 작동을 위해 48V 또는 12V 또는 둘 다로 내려갑니다 (그림 3). 하이브리드 전기 및 전기 자동차 (HEVEV)에서 DC-DC는 배터리 팩과 인버터 사이의 고전압 버스에도 사용될 수 있습니다.

온보드 충전기 (OBC). 플러그인 HEVEV 및 EV에는 AC 주 전원 공급 장치에 연결할 수 있는 내부 배터리 충전기가 포함되어 있습니다. 이를 통해 외부 AC-DC 충전기 없이 집에서 충전할 수 있습니다(그림 4).

메인 드라이브 모터 드라이버. 메인 구동 모터는 차량의 바퀴를 구동하는 고출력 AC 모터입니다. 드라이버는 배터리 전압을 3상 교류로 변환해 모터를 회전시키는 인버터다.

그림 4. 일반적인 DC-DC 컨버터는 높은 배터리 전압을 12V 및/또는 48V로 변환하는 데 사용됩니다. 고전압 브리지에 사용되는 IGBT는 SiC MOSFET으로 대체되고 있습니다.

GAN 및 SIC 트랜지스터는 고전압, 고전류 및 빠른 스위칭 특성으로 인해 자동차 전기 설계자 유연성과 간단한 설계뿐만 아니라 우수한 성능을 제공합니다.

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