सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) अनुप्रयोगों के बीच क्या अंतर है? - वीटेक सेमीकंडक्टर

सिकऔरगण मनइन्हें "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 (SiC)बैंडगैप और ब्रेकडाउन फ़ील्ड के संदर्भ में अपेक्षाकृत समान हैं। गैलियम नाइट्राइड का बैंडगैप 3.2 eV है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड का बैंडगैप 3.4 eV है। हालाँकि ये मान समान दिखाई देते हैं, लेकिन ये सिलिकॉन के बैंडगैप से काफी अधिक हैं। सिलिकॉन का बैंडगैप केवल 1.1 eV है, जो गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड से तीन गुना छोटा है। इन यौगिकों के उच्च बैंडगैप गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड को उच्च वोल्टेज सर्किट का आराम से 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 का ब्रेकडाउन फ़ील्ड अपेक्षाकृत समान है, गैलियम नाइट्राइड का ब्रेकडाउन फ़ील्ड 3.3 एमवी/सेमी और सिलिकॉन कार्बाइड का ब्रेकडाउन फ़ील्ड 3.5 एमवी/सेमी है। ये ब्रेकडाउन फ़ील्ड यौगिकों को नियमित सिलिकॉन की तुलना में उच्च वोल्टेज को काफी बेहतर ढंग से संभालने की अनुमति देते हैं। सिलिकॉन का ब्रेकडाउन क्षेत्र 0.3 एमवी/सेमी है, जिसका अर्थ है कि GaN और SiC 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 भी सक्षम हैं।

3. उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT)

गण मन 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. सेमीकंडक्टर वेफर विनिर्माण प्रक्रिया

वर्तमान विनिर्माण प्रक्रियाएं GaN और SiC के लिए एक सीमित कारक हैं क्योंकि वे व्यापक रूप से अपनाई गई सिलिकॉन विनिर्माण 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 प्रति वर्ग सेंटीमीटर केवल 100 दोष हो सकते हैं। जाहिर है, यह विशाल दोष दर GaN को अक्षम बना देती है। जबकि निर्माताओं ने हाल के वर्षों में काफी प्रगति की है, GaN अभी भी कठोर अर्धचालक डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए संघर्ष कर रहा है।

6. पावर सेमीकंडक्टर मार्केट

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

सिलिकॉन कार्बाइड अल्पावधि में अधिक प्रभावी उत्पाद हो सकता है क्योंकि गैलियम नाइट्राइड की तुलना में बड़े और अधिक समान SiC 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 बना लेगा। बड़े बिजली उत्पादों में सिलिकॉन कार्बाइड अधिक वांछनीय होगा क्योंकि इसकी बिजली क्षमताएं गैलियम नाइट्राइड की तापीय चालकता से अधिक हैं।

गैलियम नाइट्राइड एडी सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस सिलिकॉन सेमीकंडक्टर (एलडीएमओएस) एमओएसएफईटी और सुपरजंक्शन एमओएसएफईटी के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं। GaN और SiC डिवाइस कुछ मायनों में समान हैं, लेकिन महत्वपूर्ण अंतर भी हैं।

चित्र 1. उच्च वोल्टेज, उच्च धारा, स्विचिंग आवृत्ति और प्रमुख अनुप्रयोग क्षेत्रों के बीच संबंध।

वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर

WBG यौगिक अर्धचालकों में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और उच्च बैंडगैप ऊर्जा होती है, जो सिलिकॉन की तुलना में बेहतर गुणों में तब्दील हो जाती है। WBG यौगिक अर्धचालकों से बने ट्रांजिस्टर में उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और उच्च तापमान के प्रति सहनशीलता होती है। ये उपकरण 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 "ऑन" 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 विद्युत उपकरणों में चुनौतियों का सामना करने के लिए GaN और SiC ट्रांजिस्टर

गण मन और SiC उपकरणों के मुख्य लाभ: उच्च वोल्टेज क्षमता, 650 V, 900 V और 1200 V उपकरणों के साथ,

सिलिकन कार्बाइड:

उच्चतर 1700V.3300V और 6500V।

तेज़ 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।

गण मन उपकरणों का व्यापक रूप से वायरलेस उपकरणों में 100 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्ति पर पावर एम्पलीफायर के रूप में उपयोग किया जाता है। कुछ मुख्य उपयोग के मामले सेलुलर बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायर, सैन्य रडार, उपग्रह ट्रांसमीटर और सामान्य आरएफ प्रवर्धन हैं। हालाँकि, उच्च वोल्टेज (1,000 वी तक), उच्च तापमान और तेज़ स्विचिंग के कारण, उन्हें डीसी-डीसी कनवर्टर, इनवर्टर और बैटरी चार्जर जैसे विभिन्न स्विचिंग पावर अनुप्रयोगों में भी शामिल किया जाता है।

सिक 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।

गण मन और SiC उपकरणों, विशेष रूप से सिलिकॉन LDMOS MOSFETs, सुपरजंक्शन MOSFETs और IGBTs के बीच प्रतिस्पर्धा है। कई अनुप्रयोगों में, उन्हें GaN और SiC ट्रांजिस्टर द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है।

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

गण मन Si की तुलना में तेजी से स्विच करता है।

सिक, GaN से अधिक वोल्टेज पर काम करता है।

सिक को उच्च गेट ड्राइव वोल्टेज की आवश्यकता होती है।

कई पावर सर्किट और उपकरणों को GaN और SiC के साथ डिजाइन करके 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।

चित्र 3. हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए डब्ल्यूबीजी ऑन-बोर्ड चार्जर (ओबीसी)। एसी इनपुट को ठीक किया जाता है, पावर फैक्टर को ठीक किया जाता है (पीएफसी), और फिर डीसी-डीसी में परिवर्तित किया जाता है

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 होती है। डीसी-डीसी कनवर्टर अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के संचालन के लिए इसे 48V या 12V, या दोनों तक कम कर देता है (चित्र 3)। हाइब्रिड इलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रिक वाहनों (HEVEVs) में, DC-DC का उपयोग बैटरी पैक और इन्वर्टर के बीच हाई-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 चलाती है। ड्राइवर एक इन्वर्टर है जो मोटर को चालू करने 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।

गण मन और SiC ट्रांजिस्टर अपने उच्च वोल्टेज, उच्च करंट और तेज़ स्विचिंग विशेषताओं के कारण ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल डिजाइनरों को लचीलेपन और सरल डिज़ाइन के साथ-साथ बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं।

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