炭化シリコン（SIC）と窒化ガリウム（GAN）アプリケーションの違いは何ですか？ -Vetek半導体

sicそしてGaN「ワイドバンドギャップ半導体」（WBG）と呼ばれます。使用された生産プロセスにより、WBGデバイスは次の利点を示します。

1。ワイドバンドギャップ半導体

窒化ガリウム（GaN）そして炭化シリコン（原文）バンドギャップとブレークダウンフィールドの点では比較的似ています。窒化ガリウムのバンドギャップは 3.2 eV ですが、炭化ケイ素のバンドギャップは 3.4 eV です。これらの値は類似しているように見えますが、シリコンのバンドギャップよりも大幅に高くなります。シリコンのバンドギャップはわずか 1.1 eV であり、窒化ガリウムや炭化シリコンのバンドギャップの 3 分の 1 です。これらの化合物のバンドギャップが高いため、窒化ガリウムと炭化ケイ素は高電圧回路を快適にサポートできますが、シリコンのような低電圧回路をサポートすることはできません。

2. 破壊電界強度

窒化ガリウムと炭化物シリコンの分解場は比較的類似しており、窒化ガリウムの故障フィールドは3.3 mV/cm、炭化シリコンは3.5 mV/cmの故障フィールドです。これらの故障フィールドにより、化合物は通常のシリコンよりも高い電圧を大幅に処理できます。シリコンの故障フィールドは0.3 mV/cmです。つまり、GANとSICは、より高い電圧を維持できるほぼ10倍です。また、大幅に小さいデバイスを使用して、より低い電圧をサポートすることもできます。

3。高電子移動度トランジスタ（HEMT）

GaN と SiC の最も重要な違いは、電子の移動度です。これは、電子が半導体材料中を移動する速度を示します。まず、シリコンの電子移動度は 1500 cm^2/Vs です。 GaN の電子移動度は 2000 cm^2/Vs で、これは電子がシリコンの電子より 30% 以上速く移動することを意味します。ただし、SiC の電子移動度は 650 cm^2/Vs であり、SiC の電子は GaN や Si の電子よりも遅く移動することを意味します。このような高い電子移動度により、GaN は高周波アプリケーションに対してほぼ 3 倍の能力を発揮します。電子は、SiC よりもはるかに速く GaN 半導体中を移動できます。

4. GaNとSiCの熱伝導率

材料の熱伝導率は、それ自体を介して熱を伝達する能力です。熱伝導率は、使用される環境を考えると、材料の温度に直接影響します。高出力アプリケーションでは、材料の非効率性により熱が生成され、材料の温度が上昇し、その後電気特性が変化します。 Ganの熱伝導率は1.3 w/cmkで、実際には1.5 w/cmkの導電率を持つシリコンの熱伝導率よりも悪いです。ただし、SICの熱伝導率は5 w/cmkであり、熱負荷の移動により3倍近く向上しています。このプロパティは、高出力の高温アプリケーションで非常に有利になります。

5. 半導体ウェーハの製造工程

現在の製造プロセスは、広く採用されているシリコン製造プロセスよりも高価で、精度が低く、エネルギー集約的であるため、GaN と SiC の制限要因となっています。たとえば、GaN には狭い領域に多数の結晶欠陥が含まれています。一方、シリコンには 1 平方センチメートルあたり 100 個の欠陥しか含まれません。明らかに、この膨大な欠陥率により GaN の効率が低下します。メーカーは近年大きな進歩を遂げていますが、GaN は依然として厳しい半導体設計要件を満たすのに苦労しています。

6. パワー半導体市場

シリコンと比較すると、現在の製造技術では窒化ガリウムと炭化ケイ素の費用対効果が制限されており、どちらの高出力材料も短期的には高価になります。ただし、どちらの材料も特定の半導体用途では大きな利点があります。

炭化シリコンは、窒化ガリウムよりも大きく均一なSICウェーファーを製造する方が簡単であるため、短期的にはより効果的な製品になる可能性があります。時間が経つにつれて、窒化ガリウムは、電子移動度が高いことを考えると、小さな高周波製品にその場所を見つけるでしょう。炭化シリコンは、その電力能力が窒化ガリウムの熱伝導率よりも高いため、大規模な電力製品でより望ましいものになります。

窒化ガリウムd 炭化ケイ素デバイスは、シリコン半導体 (LDMOS) MOSFET および超接合 MOSFET と競合します。 GaN デバイスと SiC デバイスはいくつかの点で似ていますが、大きな違いもあります。

図1。高電圧、高電流、スイッチング周波数、および主要なアプリケーション領域の関係。

ワイドバンドギャップ半導体

WBG 化合物半導体は電子移動度が高く、バンドギャップ エネルギーが高いため、シリコンよりも優れた特性が得られます。 WBG 化合物半導体で作られたトランジスタは、より高い降伏電圧と高温耐性を備えています。これらのデバイスは、高電圧および高電力アプリケーションにおいてシリコンに勝る利点をもたらします。

図2。デュアルダイデュアルフェットカスケード回路は、GANトランジスタを通常のデバイスに変換し、高出力スイッチング回路での標準拡張モード操作を可能にします

また、WBG トランジスタはシリコンよりもスイッチングが速く、より高い周波数で動作できます。 「オン」抵抗が低いということは、消費電力が少なくなり、エネルギー効率が向上することを意味します。このユニークな特性の組み合わせにより、これらのデバイスは、自動車用途、特にハイブリッド車や電気自動車の最も要求の厳しい回路にとって魅力的になります。

自動車電気機器の課題に対処するためのGANおよびSICトランジスタ

GaN および SiC デバイスの主な利点: 650 V、900 V、1200 V デバイスによる高電圧対応、

炭化シリコン:

より高い1700V、3300V、6500V。

スイッチング速度の高速化、

より高い動作温度。

オン抵抗が低く、電力損失が最小限に抑えられ、エネルギー効率が高くなります。

GaNデバイス

スイッチング用途では、通常は「オフ」であるエンハンスメント モード (または E モード) デバイスが好まれ、これが E モード GaN デバイスの開発につながりました。最初に 2 つの FET デバイスのカスケードが登場しました (図 2)。現在、標準の e モード GaN デバイスが利用可能です。最大 10 MHz の周波数と最大数十キロワットの電力レベルでスイッチングできます。

GaN デバイスは、最大 100 GHz の周波数のパワーアンプとしてワイヤレス機器で広く使用されています。主な使用例には、携帯電話基地局のパワーアンプ、軍用レーダー、衛星送信機、一般的な RF 増幅などがあります。ただし、高電圧 (最大 1,000 V)、高温、高速スイッチングに対応するため、DC-DC コンバータ、インバータ、バッテリ充電器などのさまざまなスイッチング電源アプリケーションにも組み込まれています。

SICデバイス

SICトランジスタは、天然の電子モードMOSFETです。これらのデバイスは、最大1 MHzまでの周波数で、シリコンMOSFETよりもはるかに高い電圧および電流レベルで切り替えることができます。最大排水管電圧は最大約1,800 Vで、現在の機能は100アンペアです。さらに、SICデバイスは、シリコンMOSFETよりもはるかに低い抵抗性を持ち、すべてのスイッチング電源アプリケーション（SMPS設計）の効率が高くなります。

sic デバイスを低いオン抵抗でオンにするには、18 ～ 20 ボルトのゲート電圧駆動が必要です。標準の Si MOSFET が完全にオンになるまでに必要なゲート電圧は 10 ボルト未満です。さらに、SiC デバイスをオフ状態に切り替えるには、-3 ～ -5 V のゲート ドライブが必要です。 SiC MOSFET は高電圧、大電流能力を備えているため、自動車の電源回路に最適です。

多くのアプリケーションでは、IGBT が SiC デバイスに置き換えられています。 SiC デバイスはより高い周波数でスイッチングできるため、効率を向上させながらインダクタやトランスのサイズとコストを削減できます。さらに、SiC は GaN よりも高い電流を処理できます。

GaN デバイスと SiC デバイス、特にシリコン LDMOS MOSFET、超接合 MOSFET、IGBT の間では競争が行われています。多くのアプリケーションでは、GaN および SiC トランジスタに置き換えられています。

Gan vs. sicの比較を要約するために、ここにハイライトがあります。

GaN は Si よりも速くスイッチングします。

SICはGANよりも高い電圧で動作します。

SICには高いゲートドライブ電圧が必要です。

多くの電源回路およびデバイスは、GaN および SiC を使用して設計することで改善できます。最大の恩恵を受けるのは自動車の電気システムです。最新のハイブリッド車や電気自動車には、これらのデバイスを使用できるデバイスが搭載されています。一般的なアプリケーションには、OBC、DC-DC コンバータ、モーター ドライブ、LiDAR などがあります。図 3 は、高出力スイッチング トランジスタを必要とする電気自動車の主なサブシステムを示しています。

図 3. ハイブリッド車および電気自動車用の WBG オンボード充電器 (OBC)。 AC 入力は整流され、力率補正 (PFC) され、その後 DC-DC 変換されます。

DC-DCコンバーター。 これは、高いバッテリー電圧を低電圧に変換して他の電気装置を実行する電力回路です。今日のバッテリー電圧は最大600Vまたは900Vの範囲です。 DC-DCコンバーターは、他の電子コンポーネントの操作のために、48Vまたは12V、またはその両方に段階的にステップダウンします（図3）。ハイブリッド電気および電気自動車（HEVEV）では、DC-DCは、バッテリーパックとインバーターの間の高電圧バスにも使用できます。

オンボード充電器（OBC）。プラグインHevevとEVには、ACメインの供給に接続できる内部バッテリー充電器が含まれています。これにより、外部AC -DC充電器を必要とせずに自宅で充電できます（図4）。

メインドライブモータードライバー。メインドライブモーターは、車両のホイールを駆動する高出力ACモーターです。ドライバーは、バッテリー電圧を3相ACに変換してモーターを回転させるインバーターです。

図4。典型的なDC-DCコンバーターを使用して、高電圧ブリッジで使用される高電圧橋で使用される12 Vおよび/または48 Vに高バッテリー電圧を変換するために使用されています。

GANおよびSICトランジスタは、自動車の電気設計者の柔軟性とよりシンプルな設計、および高電圧、高電流、高速スイッチング特性により優れた性能を提供します。

Vetek Semiconductorは、プロの中国のメーカーです炭化タンタルコーティング, 炭化シリコンコーティング, GaN製品, 特殊グラファイト, 炭化シリコンセラミックそしてその他の半導体セラミックス。 VeTek Semiconductor は、半導体業界向けのさまざまなコーティング製品向けの高度なソリューションを提供することに尽力しています。

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