ما الفرق بين نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)؟

لقد هيمن السيليكون على عالم الترانزستور لعقود من الزمن. لكن هذا يتغير. تم تطوير أشباه الموصلات المركبة التي تتكون من مادتين أو ثلاث مواد توفر مزايا فريدة وخصائص فائقة. على سبيل المثال، مع أشباه الموصلات المركبة، قمنا بتطوير الثنائيات الباعثة للضوء (LED). يتكون النوع الأول من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وزرنيخيد فوسفور الغاليوم (GaAsP). ويستخدم آخرون الإنديوم والفوسفور. المشكلة هي أن تصنيع أشباه الموصلات المركبة أصعب وأكثر تكلفة. ومع ذلك، لديهم مزايا كبيرة على السيليكون. تجد التطبيقات الجديدة والأكثر تطلبًا، مثل الأنظمة الكهربائية للسيارات والمركبات الكهربائية (EVs)، أن أشباه الموصلات المركبة تلبي مواصفاتها الصارمة بشكل أفضل.

ظهر اثنان من أجهزة أشباه الموصلات المركبة، وهما نيتريد الغاليوم (GaN) وترانزستورات الطاقة من كربيد السيليكون (SiC)، كمخططات. تتنافس هذه الأجهزة مع دوائر MOSFET ذات طاقة السيليكون طويلة العمر والمنتشرة بشكل عرضي لأشباه الموصلات من أكسيد المعدن (LDMOS) وMOSFETs فائقة الوصلات. تتشابه أجهزة GaN وSiC في بعض النواحي، ولكن هناك أيضًا اختلافات كبيرة. تقارن هذه المقالة بين الاثنين وتقدم بعض الأمثلة لمساعدتك في اتخاذ قرار بشأن تصميمك التالي.

أشباه الموصلات واسعة النطاق

تُعرف أشباه الموصلات المركبة بأجهزة فجوة النطاق الواسعة (WBG). إذا تركنا جانبًا الهياكل الشبكية ومستويات الطاقة وغيرها من فيزياء أشباه الموصلات المثيرة للدهشة، فلنفترض فقط أن تعريف WBG هو نموذج يحاول وصف كيفية تدفق التيار (الإلكترونات) في شبه موصل مركب. تتمتع أشباه الموصلات المركبة WBG بحركة إلكترون أعلى وطاقة فجوة نطاق أعلى، مما يترجم إلى خصائص متفوقة على السيليكون. تتمتع الترانزستورات المصنوعة من أشباه الموصلات المركبة WBG بجهد انهيار أعلى وتحمل لدرجات الحرارة المرتفعة. توفر هذه الأجهزة مزايا مقارنة بالسيليكون في تطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية.

تتحول ترانزستورات WBG أيضًا بشكل أسرع من السيليكون، مما يسمح لها بالعمل بترددات أعلى. تعني مقاومة "التشغيل" المنخفضة أنها تبدد طاقة أقل، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة. هذا المزيج الفريد من الميزات يجعل هذه الأجهزة جذابة لبعض الدوائر الأكثر تطلبًا في تطبيقات السيارات، وخاصة المركبات الهجينة والكهربائية. أصبحت ترانزستورات GaN وSiC متاحة بسهولة لمواجهة تحديات المعدات الكهربائية للسيارات.

نقاط البيع الرئيسية لأجهزة GaN وSiC هي المزايا التالية:

قدرة الجهد العالي، متوفرة في أجهزة 650 فولت، 900 فولت و1200 فولت.

سرعة تبديل أسرع.

ارتفاع درجة حرارة التشغيل.

مقاومة أقل، والحد الأدنى من تبديد الطاقة وكفاءة أعلى في استخدام الطاقة.

ترانزستورات الجاليوم

في مجال طاقة الترددات الراديوية (RF)، وجد أن ترانزستورات GaN لديها فرص عمل مبكرة. سمحت طبيعة المادة بتطوير ترانزستورات التأثير الميداني ذات وضع الاستنفاد (FETs). تعد أجهزة FET من النوع المستنفد (أو النوع D)، والمعروفة باسم ترانزستورات الحركة الإلكترونية العالية الكاذبة (PHEMTs)، أجهزة "مستمرة" بشكل طبيعي؛ نظرًا لعدم وجود مدخل للتحكم في البوابة، توجد قناة توصيل طبيعية. تتحكم إشارة إدخال البوابة في تشغيل القناة وتشغيلها وإيقاف تشغيلها.

نظرًا لأنه عند تبديل التطبيقات، يُفضل عادةً الأجهزة المحسنة (أو النوع E) "إيقاف التشغيل"، وقد أدى ذلك إلى تطوير أجهزة GaN من النوع E. الأول عبارة عن سلسلة من جهازين FET (الشكل 2). تتوفر الآن أجهزة GaN القياسية من النوع E. ويمكن تشغيلها وإيقافها بترددات تصل إلى 10 ميجاهرتز، وبقوة تصل إلى عشرات الكيلووات.

تُستخدم أجهزة GaN على نطاق واسع في الأجهزة اللاسلكية كمضخمات طاقة بترددات تصل إلى 100 جيجا هرتز.بعض حالات الاستخدام الرئيسية هي مضخمات طاقة المحطة الأساسية الخلوية، والرادار العسكري، وأجهزة إرسال الأقمار الصناعية، وتضخيم الترددات اللاسلكية للأغراض العامة.ومع ذلك، نظرًا للجهد العالي (حتى 1000 فولت)، وارتفاع درجة الحرارة والتحويل السريع، فقد تم دمجها أيضًا في تطبيقات تحويل الطاقة المختلفة مثل محولات DC-DC، والعاكسات، وشواحن البطاريات.

ترانزستورات كربيد السيليكون

ترانزستورات SiC هي دوائر MOSFET طبيعية من النوع E. يمكن لهذه الأجهزة التبديل بترددات تصل إلى 1 ميجا هرتز، مع مستويات الجهد والتيار أعلى بكثير من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المصنوعة من السيليكون. يصل الحد الأقصى لجهد مصدر التصريف إلى حوالي 1800 فولت وتبلغ سعة التيار 100 أمبير. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أجهزة SiC بمقاومة أقل بكثير من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المصنوعة من السيليكون، مما يجعلها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة في جميع تطبيقات تحويل إمدادات الطاقة (تصميمات SMPS). العيب الرئيسي هو أنها تتطلب جهدًا أعلى لمحرك البوابة مقارنة بأجهزة MOSFET الأخرى، ولكن مع التحسينات في التصميم، لم يعد هذا عيبًا.

تتطلب أجهزة SiC فولتية بوابة تتراوح من 18 إلى 20 فولت للتمرير عبر الأجهزة ذات المقاومة المنخفضة. تتطلب وحدات Si MOSFET القياسية أقل من 10 فولت من البوابة لتكون موصلة بالكامل. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب أجهزة SiC محرك بوابة من -3 إلى -5 فولت للتبديل إلى حالة إيقاف التشغيل. ومع ذلك، فقد تم تطوير أنظمة تشغيل البوابة المخصصة لتلبية هذه الحاجة.تعد وحدات SiC MOSFET عمومًا أكثر تكلفة من البدائل الأخرى، ولكن جهدها العالي وقدراتها الحالية العالية تجعلها مناسبة تمامًا للاستخدام في دوائر طاقة السيارات.

المنافسة على ترانزستورات WBG

تتنافس أجهزة GaN وSiC مع أشباه الموصلات الناضجة الأخرى، خاصة وحدات LDMOS MOSFET المصنوعة من السيليكون، ووحدات MOSFET فائقة التوصيل، وIGBTs. في العديد من التطبيقات، يتم استبدال هذه الأجهزة القديمة تدريجيًا بترانزستورات GaN وSiC. على سبيل المثال، يتم استبدال IGBTs بأجهزة SiC في العديد من التطبيقات. يمكن تشغيل وإيقاف أجهزة SiC بترددات أعلى (100 كيلو هرتز + مقابل 20 كيلو هرتز)، مما يسمح بتقليل حجم وتكلفة أي مغو أو محول مع تحسين كفاءة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ SiC التعامل مع تيارات أكبر بكثير من GaN.

لتلخيص المقارنة بين GaN وSiC، إليك النقاط البارزة:

يتحول GaN بشكل أسرع من Si.

يتمتع SiC بجهد تشغيل أعلى من GaN.

يتطلب SiC جهدًا عاليًا لمحرك البوابة.

يتم استبدال الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (Superjunction MOSFET) تدريجيًا بـ GaN وSiC. يبدو أن SiC هو المفضل لأجهزة الشحن داخل السيارة (OBCs). سيستمر هذا الاتجاه بلا شك مع اكتشاف المهندسين للأجهزة الأحدث واكتساب الخبرة في استخدامها.

تطبيقات السيارات

يمكن تحسين العديد من دوائر وأجهزة الطاقة لتطبيقات السيارات من خلال تصميم GaN وSiC. واحدة من أكبر المستفيدين هي الأنظمة الكهربائية للسيارات. تحتوي السيارات الهجينة والكهربائية النقية الحديثة على أجهزة يمكنها استخدام هذه الأجهزة. بعض هذه التطبيقات الشائعة هي OBC، ومحولات DC-DC، ومحركات المحركات، ورادار الليزر (LiDAR).

محول تيار مستمر-تيار مستمر. هذه دائرة إمداد طاقة تقوم بتحويل جهد البطارية العالي إلى جهد أقل لتشغيل المعدات الكهربائية الأخرى. يصل نطاق جهد البطارية الحالي إلى 600 أو 900 فولت. يقوم محول DC-DC بتخفيضه إما إلى 48 فولت أو 12 فولت أو كليهما لتشغيل المكونات الإلكترونية الأخرى. في السيارات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية (HEVEVs)، يمكن أيضًا استخدام DC-DC كحافلة عالية الجهد بين حزمة البطارية والعاكس.

شاحن السيارة (OBCs). تشتمل المركبات الكهربائية HEVEV والمركبات الكهربائية الموصولة بالكهرباء على شاحن بطارية داخلي يمكن توصيله بمصدر طاقة تيار متردد. وهذا يسمح بالشحن في المنزل دون الحاجة إلى شاحن AC− DC خارجي.

محرك المحرك الرئيسي. محرك الدفع الرئيسي هو محرك تيار متردد عالي الإنتاج يقود عجلات السيارة. المحرك عبارة عن عاكس يحول جهد البطارية إلى تيار متناوب ثلاثي الطور لتشغيل المحرك.

ليدار. يشير LiDAR إلى تقنية تجمع بين أساليب الضوء والرادار لاكتشاف وتحديد الأشياء المحيطة. يقوم بمسح منطقة 360 درجة باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء النبضي ويكتشف الضوء المنعكس. وتُترجم هذه المعلومات إلى صور تفصيلية ثلاثية الأبعاد على مسافة حوالي 300 متر، وبدقة بضعة سنتيمترات. إن دقته العالية تجعله جهاز استشعار مثاليًا للمركبات، وخاصة القيادة الذاتية، لتحسين التعرف على الأشياء القريبة. تعمل أجهزة LiDAR في نطاق جهد التيار المستمر الذي يتراوح بين 12 و24 فولت، وهو مشتق من محول DC-DC. نظرًا لأن ترانزستورات GaN وSiC تتميز بالجهد العالي والتيار العالي والتحويل السريع، فإنها توفر لمصممي السيارات الكهربائية تصميمات مرنة وأبسط وأداء فائق.

فونتيل تكنولوجيز بي تي إي. المحدودة. هي مؤسسة حديثة في مجال البحث والتطوير لمجموعة السيراميك المتقدمة والتصنيع والمبيعات كواحدة، وتنتج بشكل رئيسي السيراميك المسامي والألومينا والزركونيا ونيتريد السيليكون وكربيد السيليكون ونيتريد الألومنيوم والسيراميك العازل للميكروويف وغيرها من المواد الخزفية المتقدمة. يتمتع خبير التكنولوجيا الياباني المدعو خصيصًا لدينا بأكثر من 30 عامًا من الخبرة الصناعية في مجال أشباه الموصلات، ويقدم بكفاءة حلول تطبيقات السيراميك الخاصة مع مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والتوصيل الحراري العالي، والعزل للعملاء المحليين والأجانب.