गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के बीच क्या अंतर है?

दशकों से ट्रांजिस्टर की दुनिया में सिलिकॉन का दबदबा रहा है। लेकिन वह बदल रहा है. दो या तीन सामग्रियों से युक्त यौगिक अर्धचालक विकसित किए गए हैं जो अद्वितीय लाभ और बेहतर गुण प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, मिश्रित अर्धचालकों के साथ, हमने प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) विकसित किए। एक प्रकार गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) और गैलियम फॉस्फोरस आर्सेनाइड (GaAsP) से बना है। अन्य लोग इंडियम और फॉस्फोरस का उपयोग करते हैं। समस्या यह है कि मिश्रित अर्धचालक बनाना कठिन और महंगा है। हालाँकि, सिलिकॉन की तुलना में उनके महत्वपूर्ण फायदे हैं। ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल सिस्टम और इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) जैसे नए और अधिक मांग वाले अनुप्रयोगों में पाया जा रहा है कि यौगिक अर्धचालक उनके कड़े विनिर्देशों को बेहतर ढंग से पूरा करते हैं।

दो मिश्रित अर्धचालक उपकरण, गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) पावर ट्रांजिस्टर, योजनाओं के रूप में उभरे हैं। ये उपकरण लंबे समय तक चलने वाले सिलिकॉन पावर ट्रांसवर्सली डिफ्यूज्ड मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (एलडीएमओएस) एमओएसएफईटी और सुपर-जंक्शन एमओएसएफईटी के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं। GaN और SiC डिवाइस कुछ मामलों में समान हैं, लेकिन महत्वपूर्ण अंतर भी हैं। यह आलेख दोनों की तुलना करता है और आपके अगले डिज़ाइन पर निर्णय लेने में मदद के लिए कुछ उदाहरण प्रदान करता है।

वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर

यौगिक अर्धचालकों को वाइड बैंड गैप (डब्ल्यूबीजी) डिवाइस के रूप में जाना जाता है। जाली संरचनाओं, ऊर्जा के स्तर और अन्य सिर खुजलाने वाले अर्धचालक भौतिकी को छोड़कर, मान लीजिए कि डब्ल्यूबीजी की परिभाषा एक मॉडल है जो यह वर्णन करने का प्रयास करती है कि एक यौगिक अर्धचालक में वर्तमान (इलेक्ट्रॉन) कैसे प्रवाहित होता है। WBG यौगिक अर्धचालकों में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और उच्च बैंडगैप ऊर्जा होती है, जो सिलिकॉन से बेहतर गुणों में परिवर्तित होती 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 की तुलना में लाभ प्रदान करते हैं।

WBG ट्रांजिस्टर भी सिलिकॉन की तुलना में तेजी से स्विच करते हैं, जिससे उन्हें उच्च आवृत्तियों पर काम करने की अनुमति मिलती है। कम "ऑन" प्रतिरोध का मतलब है कि वे कम बिजली खर्च करते हैं, जिससे ऊर्जा दक्षता में सुधार होता है। सुविधाओं का यह अनूठा संयोजन इन उपकरणों को ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों, विशेष रूप से हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों में सबसे अधिक मांग वाले कुछ सर्किटों के लिए आकर्षक बनाता है। ऑटोमोटिव विद्युत उपकरणों की चुनौतियों का सामना करने के लिए GaN और SiC ट्रांजिस्टर आसानी से उपलब्ध हो रहे हैं।

GaN और SiC उपकरणों के मुख्य विक्रय बिंदु ये फायदे हैं:

उच्च वोल्टेज क्षमता, 650 वी, 900 वी और 1200 वी उपकरणों में उपलब्ध है।

तेज़ स्विचिंग गति.

उच्च परिचालन तापमान.

कम ऑन-प्रतिरोध, न्यूनतम बिजली अपव्यय और उच्च ऊर्जा दक्षता।

GaN ट्रांजिस्टर

रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) पावर के क्षेत्र में, GaN ट्रांजिस्टर में शुरुआती व्यावसायिक अवसर पाए गए। सामग्री की प्रकृति ने कमी मोड क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) के विकास की अनुमति दी। कमी प्रकार (या डी-प्रकार) एफईटी, जिन्हें स्यूडोस्टेट उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (पीएचईएमटी) के रूप में जाना जाता है, स्वाभाविक रूप से "चालू" उपकरण हैं; चूंकि कोई गेट नियंत्रण इनपुट नहीं है, इसलिए एक प्राकृतिक चालन चैनल है। गेट इनपुट सिग्नल डिवाइस के चैनल टर्न-ऑन, टर्न-ऑन और टर्न-ऑफ को नियंत्रित करता है।

चूंकि स्विचिंग अनुप्रयोगों में, आमतौर पर "ऑफ" संवर्धित (या ई-प्रकार) उपकरणों को प्राथमिकता दी जाती है, इससे ई-प्रकार के GaN उपकरणों का विकास हुआ है। पहला दो FET उपकरणों का एक झरना है (चित्र 2)। अब, मानक ई-प्रकार GaN डिवाइस उपलब्ध हैं। इन्हें दसियों किलोवाट की शक्ति के साथ 10 मेगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर चालू और बंद किया जा सकता है।

GaN उपकरणों का व्यापक रूप से वायरलेस उपकरणों में 100 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्ति वाले 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 प्रयोजन आरएफ प्रवर्धन हैं।हालाँकि, उच्च वोल्टेज (1,000V तक), उच्च तापमान और तेज़ स्विचिंग के कारण, इन्हें डीसी-डीसी कनवर्टर, इनवर्टर और बैटरी चार्जर जैसे विभिन्न स्विचिंग पावर अनुप्रयोगों में भी शामिल किया जाता है।

SiC ट्रांजिस्टर

SiC ट्रांजिस्टर प्राकृतिक ई-प्रकार MOSFETs हैं। ये उपकरण 1 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर स्विच कर सकते हैं, जिसमें वोल्टेज और करंट का स्तर सिलिकॉन MOSFETs की तुलना में बहुत अधिक है। अधिकतम नाली-स्रोत वोल्टेज लगभग 1,800 वी तक है और वर्तमान क्षमता 100 एम्पियर है। इसके अलावा, SiC उपकरणों में सिलिकॉन MOSFETs की तुलना में बहुत कम प्रतिरोध होता है, जो उन्हें सभी स्विचिंग बिजली आपूर्ति अनुप्रयोगों (SMPS डिज़ाइन) में अधिक ऊर्जा कुशल बनाता है। एक मुख्य कमी यह है कि उन्हें अन्य MOSFETs की तुलना में उच्च गेट ड्राइव वोल्टेज की आवश्यकता होती है, लेकिन डिज़ाइन में सुधार के साथ, यह अब कोई कमी नहीं है।

SiC उपकरणों को कम ऑन-प्रतिरोध वाले उपकरणों के माध्यम से चलाने के लिए 18 से 20 वोल्ट के गेट वोल्टेज की आवश्यकता होती है। मानक Si MOSFETs को पूरी तरह से प्रवाहकीय होने के लिए 10 वोल्ट से कम गेट की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, SiC उपकरणों को ऑफ स्टेट पर स्विच करने के लिए -3 से -5 V गेट ड्राइव की आवश्यकता होती है। हालाँकि, इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए समर्पित गेट ड्राइवर आईसीएस विकसित किए गए हैं।SiC MOSFETs आम तौर पर अन्य विकल्पों की तुलना में अधिक महंगे होते हैं, लेकिन उनकी उच्च वोल्टेज, उच्च वर्तमान क्षमताएं उन्हें ऑटोमोटिव पावर सर्किट में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाती हैं।

WBG ट्रांजिस्टर के लिए प्रतियोगिता

GaN और SiC दोनों उपकरण अन्य परिपक्व अर्धचालकों, विशेष रूप से सिलिकॉन LDMOS MOSFETs, सुपर जंक्शन MOSFETs और IGBTs के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं। कई अनुप्रयोगों में, इन पुराने उपकरणों को धीरे-धीरे GaN और SiC ट्रांजिस्टर द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, कई अनुप्रयोगों में IGBT को SiC उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है। SiC उपकरणों को उच्च आवृत्तियों (100 KHZ + बनाम 20 KHZ) पर चालू और बंद किया जा सकता है, जिससे ऊर्जा दक्षता में सुधार करते हुए किसी भी प्रारंभकर्ता या ट्रांसफार्मर के आकार और लागत को कम किया जा सकता है। इसके अलावा, SiC, GaN की तुलना में बहुत बड़ी धाराओं को संभाल सकता है।

GaN और SiC के बीच तुलना को संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, यहां मुख्य अंश दिए गए हैं:

GaN Si की तुलना में तेजी से स्विच करता है।

SiC का ऑपरेटिंग वोल्टेज GaN से अधिक है।

SiC को उच्च गेट ड्राइव वोल्टेज की आवश्यकता होती है।

सुपरजंक्शन MOSFETs को धीरे-धीरे GaN और SiC द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है। SiC इन-कार चार्जर्स (OBCs) के लिए पसंदीदा प्रतीत होता है। इसमें कोई संदेह नहीं है कि यह प्रवृत्ति जारी रहेगी क्योंकि इंजीनियर नए उपकरणों की खोज करेंगे और उनका उपयोग करने का अनुभव प्राप्त करेंगे।

ऑटोमोटिव अनुप्रयोग

ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए कई पावर सर्किट और उपकरणों को GaN और SiC डिज़ाइन द्वारा बेहतर बनाया जा सकता है। सबसे बड़े लाभार्थियों में से एक ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल सिस्टम है। आधुनिक हाइब्रिड और शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहनों में ऐसे उपकरण होते हैं जो इन उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं। इनमें से कुछ लोकप्रिय अनुप्रयोग ओबीसी, डीसी-डीसी कन्वर्टर्स, मोटर ड्राइवर और लेजर रडार (LiDAR) हैं।

डीसी-डीसी कनवर्टर. यह एक बिजली आपूर्ति सर्किट है जो अन्य विद्युत उपकरणों को चलाने के लिए उच्च बैटरी वोल्टेज को कम वोल्टेज में परिवर्तित करता है। वर्तमान बैटरी वोल्टेज रेंज 600 या 900 वोल्ट तक है। डीसी-डीसी कनवर्टर अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के संचालन के लिए इसे 48 वोल्ट या 12 वोल्ट या दोनों तक कम कर देता है। हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों और इलेक्ट्रिक वाहनों (HEVEVs) में, DC-DC का उपयोग बैटरी पैक और इन्वर्टर के बीच हाई-वोल्टेज बस के रूप में भी किया जा सकता है।

कार चार्जर (ओबीसी)। प्लग-इन HEVEVs और EVs में एक आंतरिक बैटरी चार्जर शामिल होता है जिसे AC बिजली आपूर्ति से जोड़ा जा सकता है। यह बाहरी एसी-डीसी चार्जर की आवश्यकता के बिना घर पर चार्ज करने की अनुमति देता है।

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 चलाने के लिए बैटरी वोल्टेज को तीन-चरण प्रत्यावर्ती धारा में परिवर्तित करता है।

लीडर. LiDAR एक ऐसी तकनीक को संदर्भित करता है जो आसपास की वस्तुओं का पता लगाने और पहचानने के लिए प्रकाश और रडार विधियों को जोड़ती है। यह स्पंदित अवरक्त लेजर के साथ 360 डिग्री क्षेत्र को स्कैन करता है और परावर्तित प्रकाश का पता लगाता है। यह जानकारी कुछ सेंटीमीटर के रिज़ॉल्यूशन के साथ, लगभग 300 मीटर की दूरी पर विस्तृत त्रि-आयामी छवियों में अनुवादित की जाती है। इसका उच्च रिज़ॉल्यूशन इसे वाहनों के लिए, विशेष रूप से स्वायत्त ड्राइविंग के लिए, आस-पास की वस्तुओं की पहचान में सुधार करने के लिए एक आदर्श सेंसर बनाता है। LiDAR उपकरण 12-24 वोल्ट की DC वोल्टेज रेंज में काम करते हैं, जो DC-DC कनवर्टर से प्राप्त होता है। चूँकि GaN और SiC ट्रांजिस्टर उच्च वोल्टेज, उच्च धारा और तेज़ स्विचिंग की विशेषता रखते हैं, वे ऑटोमोटिव इलेक्ट्रिकल डिजाइनरों को लचीले और सरल डिज़ाइन और बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं।

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