Nederlands
Menu

SiC versus GaN vermogenshalfgeleiders: spanning, frequentie en toepassingen vergeleken

Siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) hebben beide een bredere bandgap dan silicium en presteren bij vermogensomzetting beter dan silicium. Ze verdragen hogere elektrische velden, schakelen sneller en hebben lagere verliezen. De spanning is de vuistregel voor de keuze. SiC past bij hoge spanning en groot vermogen, zoals omvormers van elektrische auto's. GaN is sterk bij relatief lage spanningen en zeer hoge schakelfrequenties en wordt gebruikt in onder meer compacte snelladers.

KenmerkSiCGaN
BandgapOngeveer 3,3 eV (4H-SiC). Silicium is 1,12 eVOngeveer 3,4 eV
DoorslagveldsterkteOngeveer 10 keer die van siliciumOngeveer 10 keer die van silicium
WarmtegeleidingHoog. Ongeveer 3 keer die van silicium, dus gemakkelijk te koelenVergelijkbaar met silicium en lager dan bij SiC
Typische devicesVerticale MOSFET's en Schottky-barrièrediodesLaterale HEMT's met een tweedimensionaal elektronengas als kanaal
Typische spanningsklasseVan 650 V tot ongeveer 3,3 kV, en hogerVooral tot ongeveer 650 V
SchakelfrequentieHoog (enkele tientallen tot honderden kHz)Zeer hoog (honderden kHz tot MHz)
Substraat en wafersSiC-wafers zijn duur en de kristalgroei is moeilijkMeestal gegroeid op siliciumwafers (GaN-on-Si). Goedkoop en te maken in siliciumfabrieken. Voor RF wordt ook GaN-on-SiC gebruikt
OntwerpuitdagingenBetrouwbaarheid van het gate-oxide en een vrij hoge gatedrijfspanningNormally-on gedrag moet worden vermeden en het toegestane gatespanningsbereik is smal
Belangrijkste toepassingenTractie-omvormers van elektrische auto's, boordladers, zonne-omvormers, industriële motoraandrijvingen, spoorwegenCompacte snelladers en adapters, voedingen voor datacenters, RF-versterkers voor 5G-basisstations

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

SiC
Wanneer zowel spanning als vermogen groot zijn en efficiëntie en warmteontwikkeling belangrijk zijn. Omvormers in auto's, zonne-energie en industriële voedingssystemen.
GaN
Wanneer de spanning gemiddeld is en een kleine, lichte en efficiënte omzetter bij hoge schakelfrequentie gewenst is. Laders, adapters, servervoedingen.
Beide
Bij snel schakelen is aandacht nodig voor ringing en ruis. De layout van de bedrading en de gate-aansturing zijn minstens zo belangrijk als het device zelf.

Veelgestelde vragen

Is SiC of GaN beter?

Over het algemeen is geen van beide beter. SiC past bij hoge spanning en groot vermogen, zoals omvormers van elektrische auto's, en GaN bij relatief lage spanningen en zeer hoge schakelfrequenties, zoals compacte laders.

Waarom zijn SiC en GaN beter dan silicium voor vermogensdevices?

Beide hebben een brede bandgap en een doorslagveldsterkte die ongeveer 10 keer zo hoog is als bij silicium. Ze verdragen daardoor hoge spanningen, schakelen snel en hebben lage verliezen.

Waarom is GaN op silicium goedkoper dan SiC?

GaN-vermogensdevices worden meestal op siliciumwafers gemaakt, die goedkoop zijn en ook in bestaande siliciumfabrieken kunnen worden verwerkt. SiC-wafers zijn duur en de kristalgroei is moeilijk.

Welke is beter bestand tegen warmte, SiC of GaN?

SiC. De warmtegeleiding is ongeveer 3 keer die van silicium, terwijl GaN vergelijkbaar is met silicium.

Test uw begrip

Wat is de belangrijkste reden dat SiC (siliciumcarbide) voordelen heeft ten opzichte van Si voor vermogenscomponenten met hoge doorslagspanning?

  1. AOmdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si
  2. BOmdat de bandkloof kleiner is dan die van Si
  3. COmdat de wafers goedkoper zijn dan Si en gemakkelijker in grotere diameters te maken zijn
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Omdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si

SiC heeft een grote bandkloof van ca. 3,3 eV en een kritiek doorslagveld dat ca. 10 keer dat van Si is (ca. 3 MV/cm). Bij dezelfde doorslagspanning kan de driftlaag ca. 1/10 zo dik zijn en de onzuiverheidsconcentratie ca. 100 keer zo hoog, zodat de weerstand van de driftlaag theoretisch honderden malen kleiner is. De warmtegeleiding is ook ca. 3 keer die van Si en het is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het steeds vaker wordt toegepast in onder meer EV-omvormers. Wafers zijn daarentegen duurder dan Si en de overgang naar grotere diameters (8 inch) is nog gaande.

Wat is de verzamelnaam voor halfgeleiders met een grotere bandkloof dan silicium, zoals SiC en GaN?

  1. AHalfgeleiders met brede bandkloof (wide bandgap)
  2. BHalfgeleiders met smalle bandkloof
  3. CAmorfe halfgeleiders
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Halfgeleiders met brede bandkloof (wide bandgap)

Halfgeleiders met een bandkloof van ruwweg 3 eV of meer worden wide-bandgap-halfgeleiders genoemd, met SiC (ca. 3,3 eV) en GaN (ca. 3,4 eV) als voornaamste voorbeelden. Ze hebben een hoog kritiek doorslagveld en weinig intrinsieke ladingdragers, waardoor ze ook bij hoge temperatuur gemakkelijk werken, en worden gebruikt voor vermogenscomponenten met hoge doorslagspanning en laag verlies en voor hoogfrequente componenten. Nog bredere materialen zoals Ga2O3 (ca. 4,8 eV) en diamant (ca. 5,5 eV) heten ultra-wide-bandgap-halfgeleiders.

Wat is het belangrijkste voordeel van SiC-vermogenscomponenten in de omvormer van een elektrische auto?

  1. AZe zijn altijd goedkoper dan silicium
  2. BHet verlies is klein, wat leidt tot een groter bereik en een kleinere koelinrichting
  3. CDe motor is niet meer nodig
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het verlies is klein, wat leidt tot een groter bereik en een kleinere koelinrichting

SiC-componenten hebben een lage aan-weerstand en weinig schakelverlies en zijn bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het verlies in de EV-omvormer kan worden verminderd. Met minder verlies kan met dezelfde accu enkele procenten tot een tiende verder worden gereden en kunnen koelinrichting en omvormer kleiner en lichter worden. Sinds de grootschalige toepassing in de Tesla Model 3 van 2018 neemt de verspreiding toe en het effect is bijzonder groot bij hoogspanningsaccu’s van het 800 V-systeem. Een probleem zijn de hogere kosten dan van Si-IGBT’s.

  1. Welk probleem vraagt om speciale tegenmaatregelen bij snel schakelen met SiC- en GaN-vermogenscomponenten?
  2. Waarom is GaN geschikt voor hoogfrequente transistors met hoog vermogen?
  3. Welke structuur wordt door de meeste momenteel gangbare GaN-vermogenscomponenten toegepast?

Oefenvragen over Vermogenshalfgeleiders

Belangrijke termen uitgelegd

SiC (siliciumcarbide)
Halfgeleider met brede bandgap van circa 3,3 eV. Door het hoge doorslagveld wordt het gebruikt in vermogenscomponenten met hoge spanningsweerstand en lage verliezen.
GaN (galliumnitride)
III-V-verbindingshalfgeleider met een bandgap van ongeveer 3,4 eV. Wordt gebruikt voor blauwe leds en voor hoogfrequente en vermogensapparaten.
Halfgeleider met brede bandgap (wide-bandgap)
Halfgeleider met een grotere bandgap dan silicium, zoals SiC en GaN. Heeft een hoog doorslagveld en is geschikt voor werking bij hoge spanning en hoge temperatuur.
Vermogens-MOSFET (power MOSFET)
MOSFET die grote stromen en spanningen aankan. Schakelt snel en wordt veel gebruikt in onder meer voedingsschakelingen.

Verwante vergelijkingen