GaN 트랜지스터와 SiC 트랜지스터의 차이

2022년 12월 02일

자료제공/ 온세미(onsemi)

지난 수십 년 동안 실리콘은 트랜지스터 세계를 지배해왔다. 하지만 점차 기술이 진화하면서 지금은 2 ~ 3개의 물질로 이루어진 화합물 반도체가 개발되어 고유한 장점과 우수한 특성을 제공하고 있다. 예를 들면, 화합물 반도체는 우리에게 발광 다이오드(LED)를 선사했다. 어떤 종류는 갈륨비소(GaAs)와 갈륨비소인(GaAsP)의 혼합물로 이루어져 있고, 다른 종류는 인듐과 인을 사용한다.

문제는 화합물 반도체가 더 만들기 어려울 뿐만 아니라 가격도 비싸다는 점이다. 그럼에도 불구하고 화합물 반도체는 실리콘에 비해 상당한 이점을 제공한다. 화합물 반도체는 자동차의 전장장치 및 전기자동차(EV)와 같은 다소 까다로운 새로운 애플리케이션의 엄격한 사양을 더욱 적합한 것으로 잘 알려져 있다.

이를 위한 대안으로 등장한 두 종류의 화합물 반도체 소자가 바로 질화갈륨(GaN)과 실리콘 카바이드(SiC) 파워 트랜지스터이다. 이 디바이스들은 고수명 실리콘 파워 LDMOS MOSFET, 초접합(Super-Junction) MOSFET과 경쟁한다. GaN 및 SiC 디바이스는 어떤 면에서는 유사하지만, 상당한 차이점이 있다. 이 글에서는 GaN과 SiC를 비교하고, 다음 설계를 결정할 때 도움이 될 몇 가지 요소들을 살펴보고자 한다.

그림 1. 주요 애플리케이션과 함께 널리 사용되는 고전압, 고전력 트랜지스터 및 기타 디바이스의 전력 용량과 스위칭 주파수 비교.

와이드 밴드갭 반도체

화합물 반도체를 와이드 밴드갭(Wide Bandgap, WBG) 소자라고 한다. 결정 격자 구조, 에너지 준위 등 기타 복잡한 반도체 물리학적 특성들이 있지만, 간단하게 WBG는 화합물 반도체에서 전류(전자)가 흐르는 방식을 설명하는 모델이라고 생각할 수 있다.

WBG 화합물 반도체는 높은 전자 이동도와 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 실리콘보다 우수한 특성을 보여준다. WBG 화합물 반도체로 만들어진 트랜지스터는 보다 높은 항복 전압과 고온 내성을 가지고 있다. 이 디바이스들은 고전압과 고전력 응용 분야에서 실리콘보다 우수하다.

그림 2. 2개의 Die 2개의 FET의 캐스코드 회로가 GaN 트랜지스터를 Normally-off 디바이스로 변환하여 고출력 스위칭 회로에서 표준인 인핸스먼트 모드를 가능하게 한다.

또한 WBG 트랜지스터는 실리콘보다 빠르게 스위칭을 할 뿐만 아니라 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 낮은 On 저항은 전력 소모가 적어 효율이 높아진다. 이러한 고유한 특성의 조합 덕분에 이러한 디바이스는 자동차 애플리케이션, 특히 하이브리드와 전기 자동차에 사용되는 가장 까다로운 회로에 적합하다.

GaN 및 SiC 트랜지스터는 전기 자동차의 도전을 해결하기 위해 사용할 수 있다. GaN 및 SiC 장치의 주요 특징은 다음과 같다:

• 650, 900, 1200V와 같은 고전압 기능성

• 보다 빠른 스위칭 속도

• 보다 높은 작동 온도

• 낮은 전도 저항으로 전력 손실의 최소화와 높은 효율성

GaN 트랜지스터

GaN 트랜지스터는 주로 무선 주파수(RF) 전력 분야의 틈새시장에 사용되어 왔다. 재료의 특성으로 공핍 모드 타입의 전계효과 트랜지스터가 개발되었다. 부정형 고전자 이동도 트랜지스터(pseudomorphic high electron mobility transistor, pHEMT)라고 불리는 공핍(또는 D 모드) FET는 상시 On 상태의 디바이스이다. 게이트 제어 입력이 없으면, 전도 채널이 자연히 존재한다. 게이트 입력 신호는 채널 전도를 제어하며 디바이스를 켜고 끈다.

일반적으로 스위칭 애플리케이션에서는 상시 Off(또는 E 모드) 디바이스를 선호하기 때문에 E 모드 GaN 디바이스 개발로 이어졌다. 첫 번째는 2개의 FET 디바이스의 캐스코드였다.(그림 2) 지금은 표준 E 모드 GaN 디바이스가 개발되었고, 이들은 최고 10MHz 및 최대 수십 kW에서 스위칭할 수 있다.

GaN 디바이스는 최대 100GHz 주파수까지 전력 증폭기로 무선 장비에 널리 사용된다. 주요 적용 사례로는 셀룰러 기지국 전력 증폭기, 군사 레이더, 위성 송신기, 일반 RF 증폭기 등이 있다. 또한 고전압(최대 1,000V), 고온 및 고속 스위칭 특성으로 인해 이 디바이스는 DC-DC 컨버터와 인버터 및 배터리 충전기와 같은 다양한 스위치 모드 전원공급장치 애플리케이션 분야에도 통합되어 사용되고 있다.

SiC 트랜지스터

SiC 트랜지스터는 자연적인 E 모드 MOSFET으로, 실리콘 MOSFET보다 훨씬 높은 전압과 전류에서 1MHz의 높은 주파수로 스위칭할 수 있다. 전류 용량이 100암페어일 때 최대 드레인-소스(drain-source) 전압은 1,800V이다. 또한 SiC 디바이스의 On 저항은 실리콘 MOSFET에 비해 훨씬 낮기 때문에, 모든 스위칭 전력 애플리케이션(SMPS 설계)에서 보다 효율적이다. 한 가지 주요 단점은 이 디바이스가 다른 MOSFET에 비해 더 높은 게이트 구동 전압을 요구한다는 것이다. 다만 이는 설계가 개선됨에 따라 점차 변화하고 있다.

낮은 On 저항을 위해 SiC 디바이스는 18-20V의 게이트 구동 전압이 필요하다. 표준 Si MOSFET의 경우 완전히 켜지는 전도 상태는 오직 10V 미만의 게이트 전압이 필요하다. SiC 디바이스는 오프상태로 전환하기 위해 -3에서 -5의 음전원 게이트 구동 전압이 필요하다. 그러나 이러한 요구를 충족하기 위해 특수 게이트 드라이브 IC가 개발됐다. SiC MOSFET은 일반적으로 다른 대안에 비해 비용이 많이 들지만 고전압, 고전류 기능이 있어 자동차 전력 회로에 적합하다.

WBG 트랜지스터 경쟁

GaN, SiC 디바이스 모두 실리콘 LDMOS MOSFET, 슈퍼 정션(Super Junction) MOSFET, IGBT와 같은 이미 시장을 선점하고 있는 반도체와 경쟁한다. 많은 애플리케이션에서 앞서 언급한 이전 디바이스들은 점차 GaN과 SiC 트랜지스터로 대체되고 있다.

예를 들어, IGBT는 많은 애플리케이션에서 SiC 디바이스로 대체되고 있다. SiC 디바이스는 더 높은 주파수(100kHz + vs. 20kHz)에서 스위칭 할 수 있으므로 인덕터나 변압기의 크기와 비용을 줄이는 동시에 효율성을 높일 수 있다. 또한 SiC는 GaN보다 많은 전류를 처리할 수 있다.

GaN과 SiC의 비교를 요약하면 다음과 같다:

• GaN은 Si보다 더 빠르게 스위칭 한다.

• SiC는 GaN보다 높은 전압에서 작동한다

• SiC는 높은 게이트 드라이브 전압이 필요하다

• 슈퍼 정션 MOSFET이 점차 GaN과 SiC로 대체되고 있으며, SiC가 온보드 충전기(OBC)에서 가장 선호되는 것으로 보인다. 엔지니어가 새로운 디바이스를 발견하고 그에 대한 경험을 쌓으면서 이러한 추세는 계속될 것이다

자동차 애플리케이션

많은 전력 회로 및 장치는 GaN과 SiC로 설계하여 개선할 수 있다. 이를 통해 가장 큰 효과를 본 부분 중 하나는 바로 자동차 전기 시스템이다. 현대의 하이브리드 및 모든 전기 자동차에는 이러한 디바이스를 사용할 수 있는 장비가 포함되어 있다. 널리 사용되는 애플리케이션으로는 온보드 충전기(OBC), DC-DC 컨버터, 모터 드라이버, 라이다(LIDAR) 등이 있다. 그림 3은 고전력 스위칭 트랜지스터를 필요로 하는 전기 자동차의 주요 하위 시스템을 보여준다.

그림 3. 하이브리드(HEV) 및 전기 자동차용 WBG 온보드 충전기. AC 입력이 정류되고 역률 보정(PFC)된 다음, DC-DC로 변환된다(하나는 HV 배터리 충전을 위한 출력이며 다른 하나는 LV 배터리 충전을 위한 출력이다).

DC−DC 컨버터는 높은 배터리 전압을 낮은 전압으로 변환하여 다른 전기 장비를 작동시키는 전원 회로이다. 배터리 전압은 최대 600V ~ 900V에 이르는데, 이를 48V나 12V 혹은 이 두 전압으로 낮춰 다른 전자 부품을 작동시키는 것이 바로 DC-DC 컨버터이다(그림 3). 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 전기 자동차(EV)의 경우 배터리 팩과 인버터 사이의 고전압 BUS에서도 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있다.

온보드 충전기는 플러그인 HEV(PHEV) 및 전기 자동차(EV)에는 AC 전원에 연결되는 내부 배터리 충전기가 포함되어 있는데, 이를 통해 외부 AC-DC 충전기 없이도 가정에서 충전할 수 있다.(그림 4)

트랙션 모터는 차량의 바퀴를 구동하는 고출력 AC 모터이며, 트랙션 모터 드라이버는 배터리 전압을 모터를 작동시키는 3상(three-phase) AC로 변환하는 인버터이다.

라이다는 빛과 레이더의 방식을 통합하여 주변 물체를 탐지하고 식별하는 기술로, 진동하는 적외선 레이저로 360도의 영역을 스캔하고 반사된 빛을 감지한다. 이 정보는 수 센티미터의 해상도로 약 300미터에 이르는 장면의 상세한 3D 사진으로 변환된다. 라이다의 높은 해상도는 차량, 특히 자율주행에 이상적인 센서로 주변 물체의 식별력을 향상시킨다. 라이다 장치는 DC-DC 컨버터에서 파생된 12~24V 범위의 DC 전압에서 작동한다.