Quelle est la différence entre les applications du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN) ? - Semi-conducteur VeTek

SiCetGaNsont appelés « semi-conducteurs à large bande interdite » (WBG). En raison du processus de production utilisé, les appareils WBG présentent les avantages suivants :

1. Semi-conducteurs à large bande interdite

Nitrure de gallium (GaN)etcarbure de silicium (SiC)sont relativement similaires en termes de bande interdite et de champ de claquage. La bande interdite du nitrure de gallium est de 3,2 eV, tandis que celle du carbure de silicium est de 3,4 eV. Bien que ces valeurs semblent similaires, elles sont nettement supérieures à la bande interdite du silicium. La bande interdite du silicium n’est que de 1,1 eV, soit trois fois plus petite que celle du nitrure de gallium et du carbure de silicium. Les bandes interdites plus élevées de ces composés permettent au nitrure de gallium et au carbure de silicium de prendre en charge confortablement des circuits à haute tension, mais ils ne peuvent pas prendre en charge des circuits à basse tension comme le silicium.

2. Intensité du champ de décomposition

Les champs de claquage du nitrure de gallium et du carbure de silicium sont relativement similaires, le nitrure de gallium ayant un champ de claquage de 3,3 MV/cm et le carbure de silicium ayant un champ de claquage de 3,5 MV/cm. Ces champs de claquage permettent aux composés de gérer des tensions plus élevées bien mieux que le silicium ordinaire. Le silicium a un champ de claquage de 0,3 MV/cm, ce qui signifie que le GaN et le SiC sont presque dix fois plus capables de supporter des tensions plus élevées. Ils sont également capables de supporter des tensions plus faibles en utilisant des appareils nettement plus petits.

3. Transistor à haute mobilité électronique (HEMT)

La différence la plus significative entre GaN et SiC est leur mobilité électronique, qui indique la vitesse à laquelle les électrons se déplacent à travers le matériau semi-conducteur. Premièrement, le silicium a une mobilité électronique de 1 500 cm^2/Vs. Le GaN a une mobilité électronique de 2 000 cm^2/Vs, ce qui signifie que les électrons se déplacent plus de 30 % plus vite que les électrons du silicium. Cependant, le SiC a une mobilité électronique de 650 cm^2/Vs, ce qui signifie que les électrons du SiC se déplacent plus lentement que les électrons du GaN et du Si. Avec une mobilité électronique aussi élevée, le GaN est presque trois fois plus performant pour les applications haute fréquence. Les électrons peuvent se déplacer beaucoup plus rapidement dans les semi-conducteurs GaN que dans le SiC.

4. Conductivité thermique du GaN et du SiC

La conductivité thermique d’un matériau est sa capacité à transférer la chaleur à travers lui-même. La conductivité thermique affecte directement la température d'un matériau, compte tenu de l'environnement dans lequel il est utilisé. Dans les applications à haute puissance, l'inefficacité du matériau génère de la chaleur, ce qui augmente la température du matériau et modifie par la suite ses propriétés électriques. Le GaN a une conductivité thermique de 1,3 W/cmK, ce qui est en réalité pire que celle du silicium, qui a une conductivité de 1,5 W/cmK. Cependant, le SiC a une conductivité thermique de 5 W/cmK, ce qui le rend près de trois fois meilleur pour transférer les charges thermiques. Cette propriété rend le SiC très avantageux dans les applications haute puissance et haute température.

5. Processus de fabrication de plaquettes semi-conductrices

Les procédés de fabrication actuels constituent un facteur limitant pour le GaN et le SiC, car ils sont plus coûteux, moins précis ou plus gourmands en énergie que les procédés de fabrication du silicium largement adoptés. Par exemple, le GaN contient un grand nombre de défauts cristallins sur une petite surface. Le silicium, quant à lui, ne peut contenir que 100 défauts par centimètre carré. Évidemment, cet énorme taux de défauts rend le GaN inefficace. Même si les fabricants ont fait de grands progrès ces dernières années, le GaN a encore du mal à répondre aux exigences strictes en matière de conception de semi-conducteurs.

6. Marché des semi-conducteurs de puissance

Par rapport au silicium, la technologie de fabrication actuelle limite la rentabilité du nitrure de gallium et du carbure de silicium, ce qui rend ces deux matériaux à haute puissance plus coûteux à court terme. Cependant, les deux matériaux présentent de sérieux avantages dans des applications spécifiques aux semi-conducteurs.

Le carbure de silicium peut être un produit plus efficace à court terme car il est plus facile de fabriquer des plaquettes de SiC plus grandes et plus uniformes que le nitrure de gallium. Au fil du temps, le nitrure de gallium trouvera sa place dans les petits produits à haute fréquence grâce à sa plus grande mobilité électronique. Le carbure de silicium sera plus recherché dans les produits de plus grande puissance, car ses capacités de puissance sont supérieures à la conductivité thermique du nitrure de gallium.

Nitrure de gallium etLes dispositifs en carbure de silicium sont en concurrence avec les MOSFET à semi-conducteur au silicium (LDMOS) et les MOSFET à superjonction. Les dispositifs GaN et SiC sont similaires à certains égards, mais il existe également des différences significatives.

Figure 1. Relation entre haute tension, courant élevé, fréquence de commutation et principaux domaines d'application.

Semi-conducteurs à large bande interdite

Les semi-conducteurs composés WBG ont une mobilité électronique plus élevée et une énergie de bande interdite plus élevée, ce qui se traduit par des propriétés supérieures à celles du silicium. Les transistors fabriqués à partir de semi-conducteurs composés WBG ont des tensions de claquage plus élevées et une tolérance aux températures élevées. Ces dispositifs offrent des avantages par rapport au silicium dans les applications haute tension et haute puissance.

Figure 2. Un circuit en cascade double FET à double puce convertit un transistor GaN en un dispositif normalement désactivé, permettant un fonctionnement en mode amélioration standard dans les circuits de commutation haute puissance

Les transistors WBG commutent également plus rapidement que le silicium et peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées. Une résistance « on » plus faible signifie qu’ils dissipent moins d’énergie, améliorant ainsi l’efficacité énergétique. Cette combinaison unique de caractéristiques rend ces dispositifs attractifs pour certains des circuits les plus exigeants des applications automobiles, en particulier les véhicules hybrides et électriques.

GaN and SiC transistors to meet challenges in automotive electrical equipment

Principaux avantages des dispositifs GaN et SiC : Capacité haute tension, avec des dispositifs 650 V, 900 V et 1 200 V,

Carbure de silicium:

Supérieur 1700V.3300V et 6500V.

Des vitesses de commutation plus rapides,

Températures de fonctionnement plus élevées.

Résistance inférieure, dissipation de puissance minimale et efficacité énergétique supérieure.

Appareils GaN

Dans les applications de commutation, les dispositifs en mode amélioration (ou mode E), qui sont généralement « désactivés », sont préférés, ce qui a conduit au développement de dispositifs GaN en mode E. Vint d’abord la cascade de deux dispositifs FET (Figure 2). Désormais, des appareils GaN standard en mode e sont disponibles. Ils peuvent commuter à des fréquences allant jusqu'à 10 MHz et des niveaux de puissance jusqu'à plusieurs dizaines de kilowatts.

Les dispositifs GaN sont largement utilisés dans les équipements sans fil comme amplificateurs de puissance à des fréquences allant jusqu'à 100 GHz. Certains des principaux cas d'utilisation sont les amplificateurs de puissance des stations de base cellulaires, les radars militaires, les émetteurs satellite et l'amplification RF générale. Cependant, en raison de leur haute tension (jusqu'à 1 000 V), de leur température élevée et de leur commutation rapide, ils sont également intégrés dans diverses applications de puissance de commutation telles que les convertisseurs DC-DC, les onduleurs et les chargeurs de batterie.

Appareils SiC

Les transistors SiC sont des MOSFET naturels en mode E. Ces dispositifs peuvent commuter à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz et à des niveaux de tension et de courant bien supérieurs à ceux des MOSFET au silicium. La tension drain-source maximale peut atteindre environ 1 800 V et la capacité de courant est de 100 ampères. De plus, les dispositifs SiC ont une résistance à l'état passant bien inférieure à celle des MOSFET au silicium, ce qui se traduit par un rendement plus élevé dans toutes les applications d'alimentation à découpage (conceptions SMPS).

Les dispositifs SiC nécessitent une tension de grille de 18 à 20 volts pour allumer l'appareil avec une faible résistance à l'état passant. Les MOSFET Si standard nécessitent moins de 10 volts à la grille pour s'allumer complètement. De plus, les dispositifs SiC nécessitent un pilote de grille de -3 à -5 V pour passer à l'état désactivé. Les capacités haute tension et courant élevé des MOSFET SiC les rendent idéaux pour les circuits de puissance automobiles.

Dans de nombreuses applications, les IGBT sont remplacés par des dispositifs SiC. Les dispositifs SiC peuvent commuter à des fréquences plus élevées, réduisant ainsi la taille et le coût des inductances ou des transformateurs tout en améliorant l'efficacité. De plus, le SiC peut gérer des courants plus élevés que le GaN.

Il existe une concurrence entre les dispositifs GaN et SiC, en particulier les MOSFET LDMOS au silicium, les MOSFET à superjonction et les IGBT. Dans de nombreuses applications, ils sont remplacés par des transistors GaN et SiC.

Pour résumer la comparaison GaN vs SiC, voici les points forts :

GaN commute plus rapidement que Si.

Le SiC fonctionne à des tensions plus élevées que le GaN.

Le SiC nécessite des tensions de commande de grille élevées.

De nombreux circuits et dispositifs de puissance peuvent être améliorés grâce à la conception avec GaN et SiC. L’un des principaux bénéficiaires est le système électrique automobile. Les véhicules hybrides et électriques modernes contiennent des appareils pouvant utiliser ces appareils. Certaines des applications populaires sont les OBC, les convertisseurs DC-DC, les entraînements moteurs et le LiDAR. La figure 3 présente les principaux sous-systèmes des véhicules électriques qui nécessitent des transistors de commutation de haute puissance.

Figure 3. Chargeur embarqué (OBC) WBG pour véhicules hybrides et électriques. L'entrée AC est redressée, corrigée du facteur de puissance (PFC), puis convertie DC-DC

Convertisseur DC-DC. Il s'agit d'un circuit d'alimentation qui convertit la tension élevée de la batterie en une tension inférieure pour faire fonctionner d'autres appareils électriques. La tension actuelle de la batterie va jusqu'à 600 V ou 900 V. Le convertisseur DC-DC le réduit à 48 V ou 12 V, ou les deux, pour le fonctionnement d'autres composants électroniques (Figure 3). Dans les véhicules hybrides électriques et électriques (HEVEV), le DC-DC peut également être utilisé pour le bus haute tension entre la batterie et l'onduleur.

Chargeurs embarqués (OBC). Les HEVEV et EV rechargeables contiennent un chargeur de batterie interne qui peut être connecté à une alimentation secteur CA. Cela permet de recharger à la maison sans avoir besoin d'un chargeur AC−DC externe (Figure 4).

Pilote du moteur d'entraînement principal. Le moteur d'entraînement principal est un moteur à courant alternatif à haut rendement qui entraîne les roues du véhicule. Le pilote est un onduleur qui convertit la tension de la batterie en courant alternatif triphasé pour faire tourner le moteur.

Figure 4. Un convertisseur DC-DC typique est utilisé pour convertir les tensions élevées de batterie en 12 V et/ou 48 V. Les IGBT utilisés dans les ponts haute tension sont remplacés par des MOSFET SiC.

Les transistors GaN et SiC offrent aux concepteurs électriques automobiles une flexibilité et des conceptions plus simples ainsi que des performances supérieures en raison de leurs caractéristiques de haute tension, de courant élevé et de commutation rapide.

VeTek Semiconductor est un fabricant chinois professionnel deRevêtement en carbure de tantale, Revêtement en carbure de silicium, Produits GaN, Graphite spécial, Céramiques de carbure de siliciumetAutres céramiques semi-conductrices. VeTek Semiconductor s'engage à fournir des solutions avancées pour divers produits de revêtement destinés à l'industrie des semi-conducteurs.

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