सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) अनुप्रयोगों के बीच क्या अंतर है? - वेटेक सेमीकंडक्टर

सिकऔरदोनोंइन्हें "वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर" (WBG) कहा जाता है। प्रयुक्त उत्पादन प्रक्रिया के कारण, WBG उपकरण निम्नलिखित लाभ दिखाते हैं:

1. वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर

गैलियम नाइट्राइड (GaN)औरसिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी)बैंडगैप और ब्रेकडाउन फील्ड के संदर्भ में अपेक्षाकृत समान हैं। गैलियम नाइट्राइड का बैंडगैप 3.2 ईवी है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड का बैंडगैप 3.4 ईवी है। हालांकि ये मूल्य समान दिखाई देते हैं, वे सिलिकॉन के बैंडगैप की तुलना में काफी अधिक हैं। सिलिकॉन का बैंडगैप केवल 1.1 ईवी है, जो गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड की तुलना में तीन गुना छोटा है। इन यौगिकों के उच्च बैंडगैप्स गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड को आराम से उच्च वोल्टेज सर्किट का समर्थन करने की अनुमति देते हैं, लेकिन वे सिलिकॉन जैसे कम वोल्टेज सर्किट का समर्थन नहीं कर सकते हैं।

2. ब्रेकडाउन फील्ड ताकत

गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड के ब्रेकडाउन फ़ील्ड अपेक्षाकृत समान हैं, जिसमें गैलियम नाइट्राइड में 3.3 mV/सेमी और सिलिकॉन कार्बाइड का ब्रेकडाउन फील्ड होता है, जिसमें 3.5 mV/सेमी का ब्रेकडाउन फील्ड होता है। ये ब्रेकडाउन फ़ील्ड यौगिकों को नियमित सिलिकॉन की तुलना में उच्च वोल्टेज को संभालने की अनुमति देते हैं। सिलिकॉन में 0.3 एमवी/सेमी का ब्रेकडाउन फील्ड है, जिसका अर्थ है कि जीएएन और एसआईसी उच्च वोल्टेज को बनाए रखने में लगभग दस गुना अधिक सक्षम हैं। वे काफी छोटे उपकरणों का उपयोग करके कम वोल्टेज का समर्थन करने में सक्षम हैं।

3. उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT)

दोनों और SiC के बीच सबसे महत्वपूर्ण अंतर उनकी इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है, जो इंगित करता है कि अर्धचालक सामग्री के माध्यम से इलेक्ट्रॉन कितनी तेजी से चलते हैं। सबसे पहले, सिलिकॉन में 1500 सेमी^2/Vs की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है। GaN की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 2000 सेमी^2/Vs है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन सिलिकॉन के इलेक्ट्रॉनों की तुलना में 30% से अधिक तेजी से चलते हैं। हालाँकि, SiC की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 650 सेमी^2/Vs है, जिसका अर्थ है कि SiC के इलेक्ट्रॉन GaN और Si के इलेक्ट्रॉनों की तुलना में धीमी गति से चलते हैं। इतनी उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के साथ, GaN उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए लगभग तीन गुना अधिक सक्षम है। इलेक्ट्रॉन SiC की तुलना में GaN अर्धचालकों के माध्यम से बहुत तेजी से आगे बढ़ सकते हैं।

4. GaN और SiC की तापीय चालकता

किसी सामग्री की तापीय चालकता उसके माध्यम से ऊष्मा स्थानांतरित करने की क्षमता है। तापीय चालकता किसी सामग्री के तापमान को सीधे प्रभावित करती है, उस वातावरण को देखते हुए जिसमें इसका उपयोग किया जाता है। उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में, सामग्री की अक्षमता गर्मी उत्पन्न करती है, जो सामग्री का तापमान बढ़ाती है और बाद में इसके विद्युत गुणों को बदल देती है। GaN की तापीय चालकता 1.3 W/cmK है, जो वास्तव में सिलिकॉन से भी बदतर है, जिसकी चालकता 1.5 W/cmK है। हालाँकि, SiC की तापीय चालकता 5 W/cmK है, जो इसे ताप भार को स्थानांतरित करने में लगभग तीन गुना बेहतर बनाती है। यह गुण SiC को उच्च-शक्ति, उच्च-तापमान अनुप्रयोगों में अत्यधिक लाभप्रद बनाता है।

5। अर्धचालक वेफर विनिर्माण प्रक्रिया

वर्तमान विनिर्माण प्रक्रियाएँ GAN और SIC के लिए एक सीमित कारक हैं क्योंकि वे व्यापक रूप से अपनाई गई सिलिकॉन निर्माण प्रक्रियाओं की तुलना में अधिक महंगी, कम सटीक या अधिक ऊर्जा-गहन हैं। उदाहरण के लिए, GAN में एक छोटे से क्षेत्र में बड़ी संख्या में क्रिस्टल दोष होते हैं। दूसरी ओर, सिलिकॉन में केवल 100 दोष प्रति वर्ग सेंटीमीटर हो सकता है। जाहिर है, यह विशाल दोष दर गण को अक्षम बनाती है। जबकि निर्माताओं ने हाल के वर्षों में बहुत प्रगति की है, GAN अभी भी कड़े अर्धचालक डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए संघर्ष कर रहा है।

6. पावर सेमीकंडक्टर मार्केट

सिलिकॉन की तुलना में, वर्तमान विनिर्माण प्रौद्योगिकी गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड की लागत-प्रभावशीलता को सीमित करती है, जिससे दोनों उच्च-शक्ति सामग्री अल्पावधि में अधिक महंगी हो जाती हैं। हालांकि, दोनों सामग्रियों के विशिष्ट अर्धचालक अनुप्रयोगों में मजबूत लाभ हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड अल्पावधि में एक अधिक प्रभावी उत्पाद हो सकता है क्योंकि गैलियम नाइट्राइड की तुलना में बड़े और अधिक समान एसआईसी वेफर्स का निर्माण करना आसान है। समय के साथ, गैलियम नाइट्राइड अपनी उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को देखते हुए छोटे, उच्च-आवृत्ति वाले उत्पादों में अपनी जगह पाएगा। सिलिकॉन कार्बाइड बड़े बिजली उत्पादों में अधिक वांछनीय होगा क्योंकि इसकी बिजली क्षमताएं गैलियम नाइट्राइड की थर्मल चालकता से अधिक हैं।

गैलियम नाइट्राइड एडी सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस सिलिकॉन सेमीकंडक्टर (LDMOS) MOSFETS और SUPERJUNCTION MOSFETS के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं। GAN और SIC डिवाइस कुछ मायनों में समान हैं, लेकिन महत्वपूर्ण अंतर भी हैं।

चित्रा 1। उच्च वोल्टेज, उच्च वर्तमान, स्विचिंग आवृत्ति और प्रमुख अनुप्रयोग क्षेत्रों के बीच संबंध।

वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर

WBG यौगिक अर्धचालक में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और उच्च बैंडगैप ऊर्जा होती है, जो सिलिकॉन पर बेहतर गुणों में अनुवाद करता है। WBG यौगिक अर्धचालक से बने ट्रांजिस्टर में उच्च तापमान के लिए उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और सहिष्णुता होती है। ये डिवाइस उच्च-वोल्टेज और उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में सिलिकॉन पर लाभ प्रदान करते हैं।

चित्र 2. एक डुअल-डाई डुअल-एफईटी कैस्केड सर्किट एक GaN ट्रांजिस्टर को सामान्य रूप से बंद डिवाइस में परिवर्तित करता है, जो उच्च-शक्ति स्विचिंग सर्किट में मानक एन्हांसमेंट-मोड ऑपरेशन को सक्षम करता है।

WBG ट्रांजिस्टर सिलिकॉन की तुलना में तेजी से स्विच करते हैं और उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं। कम "चालू" प्रतिरोध का मतलब है कि वे कम बिजली खर्च करते हैं, जिससे ऊर्जा दक्षता में सुधार होता है। विशेषताओं का यह अनूठा संयोजन इन उपकरणों को ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों, विशेष रूप से हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों में सबसे अधिक मांग वाले सर्किटों के लिए आकर्षक बनाता है।

ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल उपकरणों में चुनौतियों को पूरा करने के लिए GAN और SIC ट्रांजिस्टर

GAN और SIC उपकरणों के प्रमुख लाभ: 650 V, 900 V और 1200 V उपकरणों के साथ उच्च वोल्टेज क्षमता,

सिलिकन कार्बाइड:

उच्चतर 1700V.3300V और 6500V।

तेजी से स्विचिंग गति,

उच्च परिचालन तापमान.

कम प्रतिरोध, न्यूनतम बिजली अपव्यय, और उच्च ऊर्जा दक्षता।

जीएएन उपकरण

स्विचिंग अनुप्रयोगों में, एन्हांसमेंट-मोड (या ई-मोड) डिवाइस, जो आमतौर पर "बंद" होते हैं, को प्राथमिकता दी जाती है, जिससे ई-मोड GaN डिवाइस का विकास हुआ। सबसे पहले दो FET उपकरणों का कैस्केड आया (चित्र 2)। अब, मानक ई-मोड GaN डिवाइस उपलब्ध हैं। वे 10 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों और दसियों किलोवाट तक के बिजली स्तर पर स्विच कर सकते हैं।

GAN उपकरणों का व्यापक रूप से वायरलेस उपकरणों में 100 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर पावर एम्पलीफायरों के रूप में उपयोग किया जाता है। कुछ मुख्य उपयोग के मामलों में सेलुलर बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायरों, सैन्य रडार, उपग्रह ट्रांसमीटर और सामान्य आरएफ प्रवर्धन हैं। हालांकि, उच्च वोल्टेज (1,000 वी तक), उच्च तापमान और तेजी से स्विचिंग के कारण, उन्हें डीसी-डीसी कन्वर्टर्स, इनवर्टर और बैटरी चार्जर्स जैसे विभिन्न स्विचिंग पावर एप्लिकेशन में भी शामिल किया जाता है।

Sic उपकरण

सिक ट्रांजिस्टर प्राकृतिक ई-मोड MOSFETs हैं। ये उपकरण 1 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर और सिलिकॉन MOSFETs की तुलना में बहुत अधिक वोल्टेज और वर्तमान स्तर पर स्विच कर सकते हैं। अधिकतम नाली-स्रोत वोल्टेज लगभग 1,800 वी तक है, और वर्तमान क्षमता 100 एम्पियर है। इसके अतिरिक्त, SiC उपकरणों में सिलिकॉन MOSFETs की तुलना में बहुत कम प्रतिरोध होता है, जिसके परिणामस्वरूप सभी स्विचिंग बिजली आपूर्ति अनुप्रयोगों (SMPS डिज़ाइन) में उच्च दक्षता होती है।

सिक उपकरणों को कम ऑन-प्रतिरोध वाले डिवाइस को चालू करने के लिए 18 से 20 वोल्ट के गेट वोल्टेज ड्राइव की आवश्यकता होती है। मानक Si MOSFETs को पूरी तरह से चालू करने के लिए गेट पर 10 वोल्ट से कम की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, SiC उपकरणों को ऑफ स्टेट पर स्विच करने के लिए -3 से -5 V गेट ड्राइव की आवश्यकता होती है। SiC MOSFETs की उच्च वोल्टेज, उच्च वर्तमान क्षमताएं उन्हें ऑटोमोटिव पावर सर्किट के लिए आदर्श बनाती हैं।

कई अनुप्रयोगों में, IGBTs को SiC उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है। SiC उपकरण उच्च आवृत्तियों पर स्विच कर सकते हैं, दक्षता में सुधार करते हुए इंडक्टर्स या ट्रांसफार्मर के आकार और लागत को कम कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, SiC GaN की तुलना में उच्च धाराओं को संभाल सकता है।

GAN और SIC उपकरणों के बीच प्रतिस्पर्धा है, विशेष रूप से सिलिकॉन LDMOS MOSFETS, SUPERJUNCTION MOSFETS और IGBTS। कई अनुप्रयोगों में, उन्हें GAN और SIC ट्रांजिस्टर द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है।

दोनों बनाम SiC तुलना को संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, यहां मुख्य अंश दिए गए हैं:

GAN SI की तुलना में तेजी से स्विच करता है।

SIC GAN की तुलना में उच्च वोल्टेज पर संचालित होता है।

सिक को उच्च गेट ड्राइव वोल्टेज की आवश्यकता होती है।

दोनों और SiC के साथ डिज़ाइन करके कई पावर सर्किट और उपकरणों को बेहतर बनाया जा सकता है। सबसे बड़े लाभार्थियों में से एक ऑटोमोटिव विद्युत प्रणाली है। आधुनिक हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों में ऐसे उपकरण होते हैं जो इन उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं। कुछ लोकप्रिय एप्लिकेशन ओबीसी, डीसी-डीसी कन्वर्टर्स, मोटर ड्राइव और LiDAR हैं। चित्र 3 इलेक्ट्रिक वाहनों में मुख्य उपप्रणालियों को इंगित करता है जिनके लिए उच्च शक्ति स्विचिंग ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है।

चित्रा 3। हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए WBG ऑन-बोर्ड चार्जर (OBC)। एसी इनपुट को ठीक किया जाता है, पावर फैक्टर सही (पीएफसी), और फिर डीसी-डीसी परिवर्तित किया गया

डीसी-डीसी कनवर्टर. यह एक पावर सर्किट है जो अन्य विद्युत उपकरणों को चलाने के लिए उच्च बैटरी वोल्टेज को कम वोल्टेज में परिवर्तित करता है। आज की बैटरी वोल्टेज 600V या 900V तक है। DC-DC कनवर्टर इसे अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों (चित्रा 3) के संचालन के लिए 48V या 12V, या दोनों तक नीचे ले जाता है। हाइब्रिड इलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रिक वाहनों (HEVEVS) में, DC-DC का उपयोग बैटरी पैक और इन्वर्टर के बीच उच्च-वोल्टेज बस के लिए भी किया जा सकता है।

ऑन-बोर्ड चार्जर (ओबीसी). प्लग-इन HEVEVs और EVs में एक आंतरिक बैटरी चार्जर होता है जिसे AC मेन सप्लाई से जोड़ा जा सकता है। यह बाहरी AC−DC चार्जर की आवश्यकता के बिना घर पर चार्ज करने की अनुमति देता है (चित्र 4)।

मुख्य ड्राइव मोटर चालक। मुख्य ड्राइव मोटर एक उच्च-आउटपुट एसी मोटर है जो वाहन के पहियों को चलाता है। ड्राइवर एक इन्वर्टर है जो मोटर को मोड़ने के लिए बैटरी वोल्टेज को तीन-चरण एसी में परिवर्तित करता है।

चित्र 4. एक विशिष्ट डीसी-डीसी कनवर्टर का उपयोग उच्च बैटरी वोल्टेज को 12 वी और/या 48 वी में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। उच्च-वोल्टेज पुलों में उपयोग किए जाने वाले आईजीबीटी को सीआईसी एमओएसएफईटी द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है।

GAN और SIC ट्रांजिस्टर ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल डिज़ाइनर लचीलेपन और सरल डिजाइनों के साथ -साथ उनके उच्च वोल्टेज, उच्च वर्तमान और तेजी से स्विचिंग विशेषताओं के कारण बेहतर प्रदर्शन की पेशकश करते हैं।

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