Technologia SiC i GaN i urządzenia

in English

Przemysł półprzewodników poczynił znaczne postępy w ciągu ostatnich kilku dekad, skłaniając się ku mniejszym rozmiarom i większej wydajności. Materiały półprzewodnikowe o szerokim paśmie wzbronionym (WBG), takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), wzbudzają szczególne zainteresowanie, co pozwoliło na znaczącą poprawę w zakresie wydajności w porównaniu do współczesnych standardowych rozwiązań krzemowych.

Krzem jest doskonałym półprzewodnikiem ogólnego zastosowania, ale jego ograniczenia w przypadku wysokich napięć, temperatur i częstotliwości przełączania są dobrze udokumentowane. W związku z tym, że rynek kontynuuje wyścig w kierunku większej mocy, branża odchodzi od krzemu na rzecz materiałów półprzewodnikowych WBG, które są wygodne w zastosowaniach energetycznych.

W tym artykule przedstawimy korzyści płynące z zastosowania półprzewodników WBG SiC i GaN, dokonamy przeglądu aktualnych urządzeń i rozwiązań oraz pokażemy, że SiC i GaN mogą być silnymi i realnymi kandydatami do przyszłych zastosowań w elektronice i systemach zasilania.

Wprowadzenie

Właściwości materiałów WBG umożliwiają pracę urządzeń w ekstremalnych temperaturach, przy dużych gęstościach mocy, podwyższonym napięciu i wyższych częstotliwościach, co czyni je idealnymi do zastosowania w przyszłych systemach elektronicznych. SiC i GaN są określane jako materiały półprzewodnikowe WBG ze względu na dużą energię potrzebną do przesunięcia elektronów w tych materiałach z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W przypadku SiC wynosi ona około 3,2 eV, a w przypadku GaN — 3,4 eV, podczas gdy w przypadku Si jest to 1,1 eV. Trzykrotnie szersza szerokość pasma przewodnictwa skutkuje wyższym napięciem przebicia, które w niektórych zastosowaniach może sięgać nawet 1700 V.

Istnieje bezpośrednia korelacja między przerwą pasmową a krytycznym polem przebicia (elektrycznym) półprzewodnika. Pola przebicia GaN i SiC są stosunkowo podobne — GaN ma pole przebicia 3,3 MV/cm, a SiC 3,5 MV/cm. Krzem ma pole przebicia 0,3 MV/cm, co oznacza, że GaN i SiC są prawie dziesięciokrotnie bardziej zdolne do utrzymania wyższych napięć. Dzięki takim polom przebicia związki te są znacznie lepiej przystosowane do utrzymywania wyższych napięć i wytwarzania niższych prądów upływu.

Większa ruchliwość elektronów i prędkość nasycenia elektronów w półprzewodnikach WBG umożliwia wyższą częstotliwość pracy. GaN wykazuje ruchliwość elektronów na poziomie 1500 cm^2/Vs, podczas gdy dla krzemu ta wartość wynosi 1450 cm^2/Vs. SiC natomiast ma niewielką ruchliwość elektronów, zbliżoną do 900 cm^2/Vs, co sprawia, że nie nadaje się do zastosowań związanych z szybkim przełączaniem. GaN, ze swoją trzykrotnie większą ruchliwością elektronów niż SiC, nadaje się do operacji o wyższej częstotliwości przełączania.

Wyższa przewodność cieplna SiC (5 W/cmK) niż GaN (1,3 W/cmK) lub Si (1,5 W/cmK) oznacza, że urządzenia SiC lepiej przewodzą ciepło i teoretycznie mogą pracować z większą gęstością mocy niż GaN lub Si. Wyższa przewodność cieplna w połączeniu z szeroką pasmem wzbronionym i wysokim krytycznym polem przebicia daje półprzewodnikom SiC przewagę, gdy kluczową cechą urządzenia jest wysoka moc. Rysunek 1 przedstawia właściwości fizyczne i elektryczne materiałów półprzewodnikowych SiC i GaN.

SiC i GaN mają różne zastosowania w zakresie zasilania. Ich odmienne właściwości decydują o ich indywidualnych zastosowaniach. GaN jest poszukiwany w zastosowaniach o niskiej mocy i wysokiej częstotliwości, natomiast SiC jest wykorzystywany w zastosowaniach o wysokiej mocy i wysokim napięciu.

Rysunek 1: Charakterystyka materiałów SiC i GaN w porównaniu z krzemem

Zalety

Chociaż półprzewodniki WBG są droższe niż urządzenia krzemowe, stają się bardziej konkurencyjne dzięki zwiększeniu możliwości produkcyjnych i rozszerzeniu zastosowań rynkowych. Właściwości fizyczne i elektryczne półprzewodników SiC i GaN pozwalają na pracę urządzeń przy znacznie wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach niż w przypadku konwencjonalnego krzemu. Pomijając poprawę wydajności, zalety urządzeń opartych na WBG obejmują:

Znacznie mniejsza powierzchnia podstawy i masa w porównaniu z porównywalnymi urządzeniami krzemowymi.
Zmniejszone wymagania dotyczące chłodzenia i mniejsze elementy pasywne, co przyczynia się do ogólnego obniżenia kosztów systemu.
Szybsze działanie dzięki wyższej częstotliwości przełączania.
Eliminacja strat mocy występujących podczas konwersji mocy.
Systemy o zmniejszonym zużyciu energii i kosztach w całym cyklu życia.
Wydłużona żywotność dzięki zmniejszeniu strat i naprężeń termicznych.
Bardziej niezawodne urządzenia o wyższej wydajności niż krzemowe odpowiedniki.

Urządzenia i rozwiązania SiC:

Urządzenia zasilające SiC przeszły ewolucję od prototypów do produktów dostępnych w handlu. Widać to na przykładzie rynku, który obecnie oferuje różne urządzenia zasilające SiC — od elementów dyskretnych po moduły zasilające. Obecnie można znaleźć diody, układy JFET, BJT i tranzystory MOSFET wykonane z SiC. Ponadto urządzenia te są dostępne w wersjach o różnych napięciach znamionowych (od 600 V do 1,7 kV) i prądach znamionowych (od 2,6 A do 325 A i więcej). Ponadto kilku producentów — na przykład: Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed i Littelfuse — produkuje obecnie urządzenia zasilające w technologii SiC. W rezultacie technologia WBG dojrzała do tego stopnia, że jest uważana za realny zamiennik Si.

Diody SiC to przede wszystkim diody Schottky'ego (zwane też diodami z barierą Schottky'ego lub SBD). Diody SiC Schottky'ego oferują wyższą wydajność przełączania, efektywność i gęstość mocy przy niższych kosztach systemowych. Ponadto diody te charakteryzują się zerowym odzyskiem wstecznym, niskim spadkiem napięcia przedniego, stabilnością prądową, wysoką odpornością na przepięcia i dodatnim współczynnikiem temperaturowym. Obecnie na rynku dostępna jest szeroka gama diod SiC o napięciu przebicia 650 V, 1200 V i 1700 V oraz o stałym prądzie przewodzenia (If) 1–370 A. Standardowe obudowy to TO-247, TO-220 i SMD.

Tranzystory polowe FET SiC otwierają nowe zastosowania przy zwiększonej mocy i wyższym napięciu. Jako bezpośrednie zamienniki tranzystorów IGBT i MOSFET Si, tranzystory polowe FET SiC charakteryzują się niską stratnością, możliwością pracy w wysokich temperaturach, niską rezystancją w stanie włączenia w całym zakresie temperatur oraz niskimi stratami przy przełączaniu. Tranzystory MOSFET SiC, dzięki wyższym napięciom przebicia, lepszemu chłodzeniu i wytrzymałości na temperaturę, mogą być fizycznie kompaktowe. Tranzystory IGBT (ang. Insulated-Gate Bipolar Transistor — tranzystor dwubiegunowy z izolowaną bramką) są używane głównie do przełączania napięć powyżej 600 V, ale materiały SiC umożliwiają stosowanie tranzystorów MOSFET do 1700 V i wyższych prądów. Tranzystory MOSFET SiC mają również znacznie mniejsze straty przy przełączaniu niż tranzystory IGBT i działają przy stosunkowo wysokich częstotliwościach.

Tranzystory MOSFET SiC wymagają specjalnych sterowników bramek SiC , które dostarczają ujemne napięcie do bramki w stanie wyłączenia tranzystora MOSFET i zapewniają wysoki prąd impulsowy ładowania/rozładowania. Ponadto są one wystarczająco szybkie, aby wykonywać operacje na bramkach w okresie nanosekund. Zwrócenie szczególnej uwagi na konstrukcję sterownika bramki zapewnia optymalną wydajność podczas przełączania i jest niezbędne do maksymalnego wykorzystania zalet tranzystorów MOSFET SiC. W nowych konstrukcjach we wszystkich obszarach przetwarzania energii, w tym w przetwornicach AC–DC i DC–DCo dużej mocy, coraz częściej stosuje się tranzystory polowe FET SiC.

Oprócz rynku komponentów dyskretnych klienci mogą obecnie znaleźć szeroką gamę modułów zasilania SiC i płytek ewaluacyjnych/rozwojowych do różnych zastosowań (takich jak sterownik silnika).

Firmy oferują obecnie szeroką gamę produktów, które można łatwo dobrać do potrzeb klienta. Przykładem może być firma Infineon, która rewolucjonizuje rynek dzięki swoim produktom SiC i GaN. Oferta CoolSiC obejmuje diody SiC, tranzystory MOSFET, moduły hybrydowe i płytki ewaluacyjne o doskonałych parametrach. Portfolio CoolSiC umożliwia tworzenie niezwykle wydajnych i kompaktowych systemów, które spełnią przyszłe wymagania dotyczące bardziej inteligentnego i wydajnego energetycznie wytwarzania, przesyłania i zużywania energii.

Zastosowania

WBG po raz pierwszy uzyskało wartość rynkową w 1907 roku dzięki komercyjnym diodom SiC emitującym światło o różnych barwach. Współczesne materiały półprzewodnikowe SiC i GaN wykazały się niezwykłą wydajnością w takich sektorach, jak pojazdy elektryczne (EV) / hybrydowe EV, energia odnawialna i 5G, przynosząc praktyczne korzyści, które zaspokajają potrzeby konsumentów i przemysłu. Inne zastosowania energoelektroniki WBG, w których udało się osiągnąć znaczące oszczędności energii, to serwery danych, adaptery AC, inwertery solarne, zasilacze, obwody ładowania i sterowanie siecią. Ponadto, wszechstronne zalety materiałów WBG sprawiają, że są one idealnym kandydatem do zastosowania w energoelektronice w trudnych warunkach, takich jak zastosowania wojskowe, motoryzacyjne, lotnicze i kosmiczne.

Rysunek 2. Pozycjonowanie technologiczne Si, SiC i GaN (zdjęcie dzięki uprzejmości: Infineon)

Rysunek 2 pokazuje nakładające się aplikacje, w których Si, SiC i GaN znajdują zastosowanie, a wybór sprowadza się do gęstości, wydajności i kosztów. Produkty oparte na Si, takie jak tranzystory MOSFET lub IGBT dla połączeń SuperJunction, mogą być stosowane w szerokim zakresie napięć (od kilku do kilkuset woltów) i w różnych klasach mocy. Natomiast produkty oparte na SiC znajdują swoje idealne miejsce w klasach napięcia 650 V i więcej (przekraczając granice krzemu i osiągając poziomy mocy powyżej 3 kV), a urządzenia oparte na GaN są bardziej odpowiednie dla klas napięcia poniżej 650 V. Zarówno SiC, jak i GaN są stopniowo lepsze od Si wraz ze wzrostem częstotliwości pracy. Wymagania aplikacji i cele projektowe decydują o wyborze technologii. Elementy półprzewodnikowe Si są ekonomicznym rozwiązaniem dla większości współczesnych wymagań dotyczących wydajności energetycznej i gęstości mocy, ale w przypadku niektórych specyficznych wymagań projektowych, takich jak wymagania termiczne lub bardzo wysoka gęstość, optymalnym wyborem są urządzenia SiC i GaN.

Oczekuje się, że w przyszłości produkty WBG będą dalej udoskonalane i ostatecznie zastąpią urządzenia krzemowe. Jednakże przyjęcie SiC będzie nieco szybsze w przypadku konkretnych zastosowań ze względu na łatwość użycia i stosunkowo łatwe przejście od tranzystorów MOSFET i IGBT dla połączeń SuperJunction.