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碳化硅和氮化镓将在高功率规划中大显身手!
发布时间:2022-05-21 13:06:22 来源:环球体育app官方入口

  硅、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这三种半导体都正在得到或已得到广泛的运用。但是,它们之间却大不相同,各具特色。这三种器材资料的特性各不相同。要提醒其差异,最好经过三个方面来进行阐明,即电气功能规范、物理尺度和本钱。了解这些差异将有助于咱们更有用地运用这些半导体资料。

  传统的硅(Si)半导体在许多低功率和低电压运用中大显身手,但是在高功率和高电压的电力系统中,硅、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这三种半导体都正在得到或已得到广泛的运用。但是,它们之间却大不相同,各具特色。

  简直是一切的规划人员都应该对硅工艺最为了解,从我触摸这个职业开端,它就一直是首选的工艺技能。那么,半导体硅的前史到底有多长远?早在1824年,瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius就将二氧化硅容器中的钾片加热,然后小心肠冲洗掉残留的副产物,终究得到了硅。

  而第一种商用碳化硅(碳化硅)半导体资料专利则于1906年由Henry Harrison Chase Dunwoody获得;这种碳化硅资料被用于一种组成碳化硅,即晶体无线电“金刚砂”检波二极管。

  接下来,加州大学圣塔巴巴拉分校(UCSB)工程学院的Steven DenBaars、James Speck和Umesh Mishra 教授于1993年发布了他们在将氮化镓作为半导体介质上所做的尽力。

  这三种器材资料的特性各不相同。要提醒其差异,最好经过三个方面来进行阐明,即电气功能规范、物理尺度和本钱。了解这些差异将有助于咱们更有用地运用这些半导体资料。

  宽带隙(WBG)半导体的电气规范包括频率规模、击穿场强、高电子搬迁率晶体管(HEMT)和热导率。

  氮化镓和碳化硅具有类似的带隙宽度和击穿场。氮化镓的带隙宽度为3.2 eV,而碳化硅的带隙宽度为3.4 eV。虽然带隙值简直相同,但碳化硅具有大约1,700 V的最大击穿电压,远高于氮化镓的650 V。

  与此一起,硅的带隙宽度为1.1 eV,低于氮化镓和碳化硅简直三倍。因而,虽然氮化镓和碳化硅的宽带隙能够轻松支撑更高电压的电路,但它们无法像硅相同支撑较低电压的电路。

  当雪崩式倍增进程引发很多电流在源极和漏极之间活动时,击穿电压BVDSS粉墨登场。此刻,反向偏置的体漂移二极管将被击穿,而栅极和源极之间将被短路。

  碳化硅和氮化镓的击穿场挨近,其间碳化硅的击穿场为3.5 MV/cm,氮化镓的击穿场为3.3 MV/cm。而硅器材的击穿场仅为0.3 MV/cm,这意味着氮化镓和碳化硅耐受更高电压的才能是硅的10倍以上。因而,与硅比较,高击穿场使氮化镓和碳化硅能够轻松应对更高的电压。

  商用碳化硅晶体管(JFET、MOSFET)能够阻断高达1,700 V的电压,而氮化镓晶体管(HEMT)则能够接受最大650 V的电压;一起它们都能够传导从几安培到几十安培的电流。硅的击穿电压则仅为40 V至400 V。

  氮化镓 HEMT在600 V至1,200 V的电压等级中功能最佳。跟着击穿电压的添加,选用笔直器材结构变得更为可取,其间又以3.3 kV至10 kV的氮化镓 MOSFET功能为最佳。

  碳化硅和氮化镓之间的中心差异在于它们的电子搬迁率。电子搬迁率是指电子经过半导体资料的速度。硅的电子搬迁速度为 1,500 cm2/Vs,氮化镓的电子搬迁率为2,000 cm2/Vs。这意味着,氮化镓电子的移动速度比硅快30%以上。

  另一方面,碳化硅的电子搬迁率为650 cm2/Vs。其电子移动速度比氮化镓和硅都要慢。氮化镓的电子搬迁率比碳化硅要高三倍,更适合高频运用。

  热导率是指资料经过自身传递热量的才能。因为运用环境的不同,热导率将直接影响资料自身的温度。热导率低的资料会在高功率运用中产生热量。因而,高功率电路会添加资料的温度,然后改动其电气特性。

  氮化镓的热导率为1.3 W/cmK(瓦特/厘米开尔文),还不及硅的1.5 W/cmK,而碳化硅的热导率为5 W/cmK,其在传递热负荷方面优于氮化镓和硅三倍。这种导热功能使碳化硅在高功率和高温运用中具有极大的优势。

  在运用这些资料时,还需要考虑其他的功能参数,如制作工艺、尺度和本钱。制作工艺会影响器材的可靠性和终究良率,并因而影响器材的终究价格。

  现在,氮化镓和碳化硅资料自身还存在制作工艺上的约束要素,而硅的制作工艺更廉价、更准确,不过更耗能。举例来说,氮化镓在较小面积中会包括很多的晶体缺点。比较之下,硅每平方厘米的缺点或许少至100个。

  但是,就在2000年之前,制作商还无法制作缺点密度低于10亿个/cm的氮化镓衬底,这使氮化镓半导体的功率非常低下。现在,现已获得了长足的前进。不过在氮化镓半导体不断尽力以满意严厉缺点规范的进程中,问题仍然不少。

  与传统的硅比较,受限于现在的氮化镓和碳化硅制作技能,使得这两种高功率资料非常贵重,然后约束了其本钱效益。但是,这两种资料所具有的半导体运用优势仍然令人形象深入。

  碳化硅在短期内或许是一种更有用且本钱更低的产品。比较氮化镓,制作更大更均匀的碳化硅晶圆更简单。跟着时刻的推移,凭仗更高的电子搬迁率,氮化镓将在小型高频产品中寻得一席之地。而凭仗优于氮化镓的更高功率才能和热导率,碳化硅将在更大尺度的功率产品中遭到喜爱。

  传统的硅已无法满意更高电压电路的需求。与此一起,在高压范畴,碳化硅和氮化镓作为毋庸置疑的半导体资料替代品,正在下降制作缺点密度方面不断获得发展。这两种半导体均能接受更高的电压、更高的频率,并适用于更杂乱的电子器材。一切这些都激烈标明,碳化硅和氮化镓器材在整个高压电子市场都极具用武之地。(文:电子工程专辑编译,原作者:BONNIE BAKER)

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