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四个问题带你入门碳化硅的世界

2023-03-08 充电头网 阅读:
今天我们谈到第三代半导体,大家很快就能说出氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两个耳熟能详的名字,也正是他们优异的物理性能,让两者迅速成为了电力电子器件的中流砥柱。
 
从夜晚睡前插上的手机充电器,再到早上出行搭乘的电动汽车,我们的日常生活,处处都有第三代半导体的影子。今天我们谈到第三代半导体,大家很快就能说出氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两个耳熟能详的名字,也正是他们优异的物理性能,让两者迅速成为了电力电子器件的中流砥柱。
 
 
纳微半导体作为全球氮化镓行业的领导者,成功发货70000000颗,并成功打入全球头部消费电子品牌全球行业排名前十的手机和笔电生产厂商供应链,以及面向零售市场的第三方配件商,已经让氮化镓走入千家万户,让GaNFast™的速度惠及无数消费者。
 
 
不过今天,我们不聊氮化镓,今天的纳微小课堂我们用四个问题向大家展示另一位第三代半导体的强力选手——碳化硅
 
问:什么是碳化硅(SiC)?
 
答:碳化硅(SiC)由硅(原子序数14)和碳(原子序数6),形成类似于金刚石的强共价键,是一种坚固的六方结构化合物,具有宽禁带半导体特性。带隙是将电子从围绕原子核的轨道上释放所需的能量,在 3.26 eV 时,碳化硅的禁带能隙几乎是硅的三倍,因此被称为“宽”禁带或WBG。
 
碳化硅的晶体结构
(图片来源:researchgate.net)
 
由于禁带能隙决定了材料可以承受的电场及其能正常运行的速度,碳化硅更宽的禁带能隙使得能够开发出比传统硅在更高频率和更高电压下运行的半导体。此外,碳化硅的化学性质使其具有比硅更好的导热性和热稳定性,使其成为一种在高压和高温应用中提供一致、可靠性能的理想半导体材料。
 
问:为什么碳化硅(SiC)如此重要?
 
答:宽禁带半导体,如碳化硅(SiC)由于其能够在广泛的应用中提供显著改善的性能,同时与传统的硅技术相比,降低了提供相同性能所需的能量和物理空间,因此其重要性日益增加。
 
为什么选择碳化硅功率器件?
 
在某些应用场景中,作为功率转换平台的硅已经达到其物理极限,因此碳化硅技术正变得至关重要,而在其他应用中,碳化硅把效率、开关速度、尺寸、重量和更冷、高温、高压运行等多种优点结合起来,使其越来越具有吸引力。
 
问:碳化硅(SiC)的使用场景在哪里?
 
答:碳化硅(SiC)半导体被部署在各种各样的使用场景中,这些场景要求在小尺寸、高功率密度的设计中实现稳健的高电压、高性能,同时还需要能不受温度影响,稳定可靠地运行。
 
这些包括AC-DC整流器和功率因数校正(PFC)电路、电池充电器、DC-DC转换器、DC-AC逆变器和变频器,应用范围从电动汽车(EV)和牵引控制到数据中心架构,以及需要1000–1500 VDC操作的太阳能逆变器。
 
 
纳微半导体的GeneSiC系列产品还支持600-3300 V功率晶体管和整流器产品,用于要求耗电控制、通信、计算、推进和健康监测系统的航空航天和石油钻井应用。
 
GeneSiC的系列产品中器件的温度鲁棒性和抗辐射性能,使得这些电路元件可以在极端温度和高辐射环境下工作。GeneSiC部件的低导通电阻和低开关损耗确保了更高的能量转换效率,同时提供了各种功能,如过载/短路保护、过压保护、同步、过热保护和并联运行能力,以及带来了低谐波失真、噪声和EMI发射。
 
问:碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)相比如何?
 
答:这是大家都非常关注的问题,先说结论:各有千秋,相辅相成。
 
与禁带为1.12eV(电子伏特)的硅相比,氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)作为化合物半导体,他们的禁带是硅禁带的3倍,分别为3.39eV和3.26eV。这意味着他们都可以支持更高的电压和更高的频率,尽管这两种技术之间存在许多差异,影响它们的工作方式和使用领域。
 
硅、氮化镓和碳化硅的应用设计参数
 
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)之间的一个区别是电子迁移率方面的速度——电子在半导体材料中迁移的速度。在2000cm²/Vs时,氮化镓的电子迁移率比Si快30%,而碳化硅的电子迁移度为650cm²/Vs。这些差异在决定每种技术为目标应用程序发挥了不同的作用。
 
氮化镓(GaN)更高的电子迁移率使其更适合于高性能、高频的应用,在相同应用场合下,尤其是因为氮化镓占据的芯片面积比较小,故芯片等效的输入输出的电容比较低,容易实现更高的开关频率(这就是为什么氮化镓半导体广泛用于在千兆赫兹范围内切换的RF器件)。
 
另一方面,碳化硅(SiC)具有较高的热导率和较低的频率操作,更适合于更高功率的应用,包括电动汽车和数据中心、一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、网格分布与工业和医疗成像,这些需要很高的电压下运行,并拥有优良的散热性能,但不总是需要进行高频开关的场景。
 
显然,对于功率处理和快速充电,氮化镓和碳化硅都是优于传统硅的材料。650V额定电压的氮化镓提供了更快的开关、集成和更低的成本,并针对高达20kW的应用进行了优化。碳化硅具有更高的电压和温度特性,使其成为1000V以上器件和20MW以下应用的更优选择。
 
这四个问题看完,大家是否对碳化硅有了些许兴趣?接下来的两期文章,纳微将带大家进一步挖掘碳化硅和氮化镓的市场发展潜力,欢迎关注纳微公众号——纳微芯球,了解学习纳微半导体最新、领先的GeneSiC™ 场效应管和二极管的方案,敬请期待哦!
责编:Ricardo
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