碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）應用差異

發(fā)布人：旺材芯片時間：2023-12-08 來源：工程師

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SiC 和 GaN 被稱為“寬帶隙半導體”(WBG)。由于使用的生產工藝，WBG 設備顯示出以下優(yōu)點：1.寬帶隙半導體氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在帶隙和擊穿場方面相對相似。氮化鎵的帶隙為3.2 eV，而碳化硅的帶隙為3.4 eV。雖然這些值看起來相似，但它們明顯高于硅的帶隙。硅的帶隙僅為1.1 eV，比氮化鎵和碳化硅小三倍。這些化合物的較高帶隙允許氮化鎵和碳化硅舒適地支持更高電壓的電路，但它們不能像硅那樣支持低壓電路。2.擊穿場強度氮化鎵和碳化硅的擊穿場相對相似，氮化鎵的擊穿場為3.3 MV/cm，而碳化硅的擊穿場為3.5 MV/cm。與普通硅相比，這些擊穿場使化合物明顯更好地處理更高的電壓。硅的擊穿場為0.3 MV/cm，這意味著氮化鎵和碳化硅保持更高電壓的能力幾乎高出十倍。它們還能夠使用明顯更小的器件支持較低的電壓。3.高電子遷移率晶體管（HEMT）氮化鎵和碳化硅之間最顯著的區(qū)別在于它們的電子遷移率，這表明電子在半導體材料中的移動速度。首先，硅的電子遷移率為1500 cm^2/Vs.氮化鎵的電子遷移率為2000 cm^2/Vs，這意味著電子的移動速度比硅的電子快30%以上。然而，碳化硅的電子遷移率為650 cm^2/Vs，這意味著碳化硅的電子比GaN和硅的電子移動得慢。憑借如此高的電子遷移率，GaN幾乎是高頻應用的三倍。電子可以通過氮化鎵半導體比SiC快得多。4.氮化鎵和碳化硅導熱系數(shù)材料的導熱性是其通過自身傳遞熱量的能力?？紤]到材料的使用環(huán)境，導熱系數(shù)直接影響材料的溫度。在大功率應用中，材料的低效率會產生熱量，從而提高材料的溫度，并隨后改變其電氣特性。氮化鎵的導熱系數(shù)為1.3 W/cmK，實際上比硅的導熱系數(shù)差，硅的導率為1.5 W/cmK。然而，碳化硅的導熱系數(shù)為5 W/cmK，使其在傳遞熱負荷方面提高了近三倍。這一特性使碳化硅在高功率、高溫應用中具有很高的優(yōu)勢。5.半導體晶圓制造工藝目前的制造工藝是氮化鎵和碳化硅的限制因素，因為這些工藝比廣泛采用的硅制造工藝更昂貴、精度更低或能源密集。例如，氮化鎵在小面積上含有大量的晶體缺陷。另一方面，硅每平方厘米只能包含100個缺陷。顯然，這種巨大的缺陷率使得GaN效率低下。雖然制造商近年來取得了長足的進步，但GaN仍在努力滿足嚴格的半導體設計要求。6.功率半導體市場與硅相比，目前的制造技術限制了氮化鎵和碳化硅的成本效益，使這兩種高功率材料在短期內更加昂貴。然而，這兩種材料在特定半導體應用中都具有強大的優(yōu)勢。碳化硅在短期內可能是一種更有效的產品，因為它比氮化鎵更容易制造更大、更均勻的SiC晶片。隨著時間的推移，鑒于其更高的電子遷移率，氮化鎵將在小型高頻產品中找到自己的位置。碳化硅在較大的功率產品中將更可取，因為它的功率能力比氮化鎵更高的導熱性。

氮化鎵和碳化硅器件，與硅半導體(LDMOS) MOSFET和超級結MOSFET競爭。GaN和SiC器件在某些方面是相似的，但也有很大的差異。

圖1.高壓、大電流，開關頻率的關系，以及主要應用領域。

寬禁帶半導體

WBG化合物半導體具有較高的電子遷移率和較高的帶隙能量，轉化為優(yōu)于硅的特性。由WBG化合物半導體制成的晶體管具有更高的擊穿電壓和對高溫的耐受性。這些器件在高壓和高功率應用中比硅更有優(yōu)勢。

圖2. 雙裸片雙場效應管(FET)級聯(lián)電路將GaN晶體管轉換為常關斷器件，實現(xiàn)了大功率開關電路中的標準增強型工作模式與硅相比，WBG晶體管的開關速度也更快，可在更高的頻率下工作。更低的“導通”電阻意味著它們耗散的功率更小，從而提升能效。這種獨特的特性組合使這些器件對汽車應用中一些最嚴苛要求的電路具有吸引力，特別是混合動力和電動車。GaN和SiC晶體管以應對汽車電氣設備的挑戰(zhàn)GaN和SiC器件的主要優(yōu)勢：高電壓能力，有650 V、900 V和1200 V的器件，碳化硅：更高的1700V.3300V和6500V。更快的開關速度，更高的工作溫度。更低導通電阻，功率耗散最小，能效更高。

GaN器件在開關應用中，通?！瓣P斷”的增強型(或E型)器件是首選，這導致了E型GaN器件的發(fā)展。首先是兩個FET器件的級聯(lián)(圖2)。現(xiàn)在，標準的e型GaN器件已問世。它們可以在高達10兆赫頻率下進行開關，功率達幾十千瓦。

GaN器件被廣泛用于無線設備中，作為頻率高達100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窩****功率放大器、軍用雷達、衛(wèi)星****和通用射頻放大。然而，由于高壓(高達1,000 V)、高溫和快速開關，它們也被納入各種開關電源應用，如DC-DC轉換器、逆變器和電池充電器。

SiC器件

SiC晶體管是天然的E型MOSFET。這些器件可在高達1 MHz的頻率下進行開關，其電壓和電流水平遠高于硅MOSFET。最大漏源電壓高達約1,800 V，電流能力為100安培。此外，SiC器件的導通電阻比硅MOSFET低得多，因而在所有開關電源應用(SMPS設計)中的能效更高。SiC器件需要18至20伏的門極電壓驅動，導通具有低導通電阻的器件。標準的Si MOSFET只需要不到10伏的門極就能完全導通。此外，SiC器件需要一個-3至-5 V的門極驅動來切換到關斷狀態(tài)。SiC MOSFET在高壓、高電流的能力使它們很適合用于汽車電源電路。在許多應用中，IGBT正在被SiC器件取代。SiC器件可在更高的頻率下開關，從而減少電感或變壓器的尺寸和成本，同時提高能效。此外，SiC可以比GaN處理更大的電流。
GaN和SiC器件存在競爭，特別是硅LDMOS MOSFET、超級結MOSFET和IGBT。在許多應用中，正逐漸被GaN和SiC晶體管所取代。總結GaN與SiC的比較，以下是重點：GaN的開關速度比Si快。SiC工作電壓比GaN更高。SiC需要高的門極驅動電壓。許多功率電路和器件可用GaN和SiC進行設計而得到改善。最大的受益者之一是汽車電氣系統(tǒng)?，F(xiàn)代混合動力車和純電動車含有可使用這些器件的設備。其中一些流行的應用是OBC、DC-DC轉換器、電機驅動器和激光雷達(LiDAR)。圖3指出了電動車中需要高功率開關晶體管的主要子系統(tǒng)。

圖3. 用于混合動力車和電動車的WBG車載充電器(OBC)。交流輸入經(jīng)過整流、功率因數(shù)校正(PFC)，然后進行DC-DC轉換(一個輸出用于給高壓電池充電，另一個用于給低壓電池充電)。DC-DC轉換器。這是個電源電路，將高的電池電壓轉換為較低的電壓，以運行其他電氣設備?，F(xiàn)在電池的電壓范圍高達600伏或900伏。DC-DC轉換器將其降至48伏或12伏，或同時降至48伏和12伏，用于其他電子元件的運行(圖3)。在混合動力電動車和電動車(HEVEVs)中，DC-DC也可用于電池組和逆變器之間的高壓總線。車載充電器(OBCs)。插電式HEVEV和EVs包含一個內部電池充電器，可以連接到交流電源上。這樣就可以在家里充電，而不需要外部的AC? DC充電器(圖4)。主驅電機驅動器。主驅電機是高輸出的交流電機，驅動車輛的車輪。驅動器是個逆變器，將電池電壓轉換為三相交流電，使電機運轉。