أشباه الموصلات الكهربائية

وصف

نيتريد الغاليوم (GaN) هو مادة أشباه الموصلات من الجيل الثالث (أشباه الموصلات واسعة النطاق). بالمقارنة مع السيليكون التقليدي (Si) وكربيد السيليكون (SiC)، فهو يتمتع بمزايا مثل: حركة إلكترون أعلى، وجهد تحمل أعلى، وتردد تبديل أعلى، ويستخدم على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الإلكترونية عالية الكفاءة.

1. الخصائص الأساسية للجاليوم

2. أنواع أجهزة الطاقة GaN

(1) GaN HEMT (ترانزستور عالي الحركة للإلكترون)

ل بناء: استنادًا إلى الوصلة المتغايرة AlGaN/GaN، يتم تشكيل 2DEG (غاز إلكترون ثنائي الأبعاد) لتحقيق حركة إلكترونية عالية للغاية.

ل سمات:

¢ مقاومة منخفضة للغاية (R DS(on)).

¢ سرعة تحويل فائقة السرعة (مستوى ميجاهرتز).

ل التطبيقات: مصدر طاقة عالي التردد (شحن سريع، RF)، LiDAR.

(2) GaN FET (ترانزستور التأثير الميداني)

ل محسّن (الوضع الإلكتروني) : إيقاف التشغيل عادة، آمن وسهل القيادة.

ل وضع الاستنفاد (الوضع D) : مفتوح بشكل طبيعي، ويتطلب إيقاف التشغيل جهدًا سلبيًا (مع برنامج التشغيل IC).

(3) دائرة الطاقة GaN

ل الحل المتكامل: دمج دوائر GaN FET والسائق والحماية.

ل المزايا: تصميم مبسط وموثوقية محسنة (على سبيل المثال، لإمدادات الطاقة للخادم).

3. الميزة الأساسية لـ GaN

(1) تردد تحويل عالي جدًا (مستوى ميجاهرتز)

ل MOSFET Si التقليدي: عادة <500 كيلو هرتز.

ل أجهزة GaN: ما يصل إلى 10 ميجا هرتز +، مما يقلل بشكل كبير من حجم المحث/المكثف.

ل التطبيقات:

¢ شحن سريع لهاتفك (مثل USB PD 3.1 140 واط).

¢ محول طاقة رفيع للغاية (مثل شاحن الفاكهة بقدرة 30 وات GaN).

(2) فقدان التوصيل المنخفض

ل أقل بنسبة تزيد عن 50% من دوائر Si MOSFET ذات المواصفات نفسها، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة (على سبيل المثال، كفاءة الطاقة في مركز البيانات > 96%).

(3) أداء درجات الحرارة العالية

ل درجة حرارة العمل تصل إلى 200°ج+(سي عموما <150°ج) مناسبة للبيئات القاسية.

(4) التصغير

ل أجهزة GaN أصغر بنسبة 50% إلى 70% من Si بنفس الطاقة.

4. التطبيقات النموذجية لـ GaN

5. مقارنة GaN و SiC و Si

6. تحدي GaN

1. تكلفة عالية: تعد رقائق GaN حاليًا أكثر تكلفة من Si، ولكنها تتناقص تدريجيًا مع بدء الإنتاج الضخم.

2. التحقق من الموثوقية: يحتاج الاستقرار على المدى الطويل (مثل الديناميكي R DS(on)) إلى مزيد من التحسين.

3. تصميم محرك معقد: تتطلب بعض أجهزة GaN دوائر محرك خاصة (مثل إيقاف التشغيل السلبي).

7. الاتجاهات المستقبلية

1. مستويات الجهد العالي: تطوير أجهزة GaN 1200 فولت، والانتقال إلى العاكسات الرئيسية للسيارات الكهربائية.

2. اندماج: المزيد من GaN ics (برنامج التشغيل المتكامل + الحماية) لخفض عتبة التصميم.

3. إنتاج كميات كبيرة من الويفر مقاس 8 بوصة: تخفيض التكلفة (حاليًا 6 بوصة).

4. مكمل مع كربيد السيليكون:

¢ شبكة GaN: سيناريوهات التردد العالي والجهد المتوسط ​​والمنخفض (<900 فولت) (الشحن السريع والاتصال).

¢ كربيد كربيد: سيناريوهات الجهد العالي ودرجات الحرارة المرتفعة (السيارات الكهربائية، الخلايا الكهروضوئية).

8. ملخص

ل مزايا الجاليوم: تردد عالي، كفاءة عالية، تصغير الحجم، مناسب للشحن السريع، 5G، مراكز البيانات والسيناريوهات الأخرى.

ل الجهد المطبق: حالياً، إنها بشكل رئيسي أقل من 650 فولت، ثم يتحرك تدريجيًا نحو 1200 فولت.

ل مستقبل: مع انخفاض التكاليف، سيحل GaN تدريجيًا محل وحدات Si MOSFET ذات الجهد المتوسط ​​والمنخفض وجزءًا من سوق SiC.

تطبيق عينة:

ل شاحن Fruit 140W USB-C (GaN HEMT لكثافة طاقة عالية جدًا).

ل قد تستخدم السيارات الكهربائية GaN للجيل القادم من OBC (الشاحن الموجود على متن السيارة).