نيتريد الغاليومالترانزستورات وكربيد السيليكونيُعدّ ترانزستور MOSFET من أشباه الموصلات الصاعدة في مجال الطاقة خلال العامين أو الثلاثة أعوام الماضية. وبالمقارنة مع أشباه موصلات السيليكون التقليدية، يتميز MOSFET بالعديد من الخصائص الممتازة، مثل: تحمل الجهد العالي، ومقاومة التشغيل المنخفضة، وانخفاض المعاملات الطفيلية. كما يتميز بخصائص فريدة، منها: انخفاض المعاملات الطفيلية وسرعة التبديل الفائقة لترانزستورات نتريد الغاليوم، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الترددات العالية. أما ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، فيتميز بسهولة تشغيله وموثوقيته العالية، مما يجعله مناسبًا لمصادر الطاقة التبديلية عالية الأداء.

تستند هذه المقالة إلى منتجات ترانزستور نتريد الغاليوم و MOSFET من كربيد السيليكون من شركة Infineon، وتقدم مقدمة مفصلة عن هياكلها وخصائصها واختلافات التطبيق بينهما.      
باعتبارها من أبرز أشباه الموصلات الكهربائية من الجيل الثالث، تحظى ترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون باهتمام متزايد من قطاع الصناعة، وخاصةً من مهندسي الكهرباء. ويعود هذا الاهتمام الكبير إلى المزايا العديدة التي تتمتع بها موادها مقارنةً بمواد السيليكون التقليدية، كما هو موضح في الشكل 1. فعرض فجوة الطاقة الأكبر وقوة المجال الحرج الأعلى لنتريد الغاليوم وكربيد السيليكون يمنحان أشباه الموصلات الكهربائية المصنعة منهما خصائص ممتازة، مثل تحمل الجهد العالي، ومقاومة التشغيل المنخفضة، والمعاملات الطفيلية الصغيرة. وعند استخدامها في مجال مصادر الطاقة التبديلية، تتميز هذه المواد بانخفاض الفقد، وارتفاع تردد التشغيل، والموثوقية العالية، مما يُحسّن بشكل كبير من كفاءة وكثافة الطاقة وموثوقية هذه المصادر.      
          الشكل 1: مقارنة الخصائص الرئيسية للسيليكون وكربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم
نظراً لخصائصها الممتازة المذكورة أعلاه، يتزايد استخدام ترانزستورات نتريد الغاليوم وموسفتات كربيد السيليكون في المجالات الصناعية، وسيُستخدم هذا النوع من الترانزستورات على نطاق أوسع. يوضح الشكل 2 مجالات التطبيق وتوقعات المبيعات لهذين النوعين من أشباه الموصلات المستخدمة في الطاقة، وفقاً لبيانات IHS Markit. ومع توسع مجالات التطبيق، ستشهد مبيعات ترانزستورات نتريد الغاليوم وموسفتات كربيد السيليكون نمواً ملحوظاً. أما الشكل 3 فيوضح توقعات المبيعات لهذين النوعين من أشباه الموصلات المستخدمة في الطاقة، وفقاً لبيانات IHS Markit أيضاً.      
      الشكل 2: مجالات التطبيق وتوقعات مبيعات ترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون
      الشكل 3: توقعات مبيعات ترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون
في الفصل الثاني من هذه المقالة، سيتم شرح بنية وخصائص ترانزستورات نتريد الغاليوم بالتفصيل. أما الفصل الثالث، فسيتناول بنية وخصائص ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون بالتفصيل. وفي الفصل الرابع، سيتم إجراء تحليل مقارن لاستخدام هذين النوعين من أشباه الموصلات في الدائرة الكهربائية نفسها، وذلك لتوضيح أوجه التشابه والاختلاف في تطبيقاتهما. وأخيرًا، سيتم تلخيص النص الكامل.      
             بنية وخصائص ترانزستور نتريد الغاليوم          

بنية ترانزستور نتريد الغاليوم

على عكس أشباه الموصلات الكهربائية المصنوعة من السيليكون، فإن ترانزستورات نتريد الغاليوم توصل الكهرباء من خلال غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد (2DEG) يتكون بفعل التأثير الكهروإجهادي لمادتين ذواتي فجوات نطاق مختلفة (عادةً AlGaN و GaN) عند السطح البيني، كما هو موضح في الشكل 4. وبما أن الغاز الإلكتروني ثنائي الأبعاد لا يوصل الكهرباء إلا بتركيز عالٍ من الإلكترونات، فلا توجد مشكلة إعادة تركيب حاملات الشحنة الأقلية (أي، استعادة ثنائية الجسم العكسية) في ترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون.      
      الشكل 4: رسم تخطيطي لمبدأ التوصيل الكهربائي لنيتريد الغاليوم
يُظهر الشكل 4 بنية ترانزستور نتريد الغاليوم الأساسي، وهو ترانزستور عالي الحركة الإلكترونية من نوع الاستنزاف (HEMT). وهذا يعني أنه عند عدم وجود جهد مطبق بين البوابة والمصدر (VGS=0V)، يكون مصب ترانزستور نتريد الغاليوم والمكون موصلين، أي أنه جهاز يعمل في وضع التشغيل الطبيعي. يختلف هذا تمامًا عن مفاتيح الطاقة التقليدية من نوع MOSFET أو IGBT المغلقة عادةً، والتي يصعب استخدامها في التطبيقات الصناعية، وخاصة في مجال مصادر الطاقة التبديلية. وللتغلب على هذه المشكلة، عادةً ما يلجأ القطاع الصناعي إلى حلين: الأول هو استخدام بنية كاسكود، والآخر هو إضافة نتريد الغاليوم من النوع P إلى البوابة لتشكيل ترانزستور من نوع التحسين (مغلق عادةً). يوضح الشكل 5 بنيتي هذين النوعين.      
      الشكل 5: بنيتان لترانزستورات نتريد الغاليوم
يتكون ترانزستور نيتريد الغاليوم في البنية المتتالية من ترانزستور نيتريد غاليوم من نوع الاستنزاف، موصول على التوالي مع ترانزستور MOSFET سيليكوني منخفض الجهد. وتكمن ميزة هذه البنية في أن آلية تشغيلها مطابقة تمامًا لآلية تشغيل ترانزستور MOSFET السيليكوني التقليدي (لأنها تُشغّل ترانزستور MOSFET سيليكوني). مع ذلك، تعاني هذه البنية من عيوب كبيرة. أولًا، يحتوي ترانزستور MOSFET السيليكوني على ثنائي داخلي. وعندما يمر تيار في ترانزستور نيتريد الغاليوم في الاتجاه المعاكس، تحدث مشكلة استعادة عكسية لهذا الثنائي. ثانيًا، يتصل مصب ترانزستور MOSFET السيليكوني بمصدر ترانزستور نيتريد الغاليوم من نوع الاستنزاف. أثناء تشغيل وإيقاف ترانزستور MOSFET السيليكوني، يكون التذبذب بين المصب والمصدر هو نفسه التذبذب بين المصدر وبوابة ترانزستور نيتريد الغاليوم. ونظرًا لأن هذا التذبذب حتمي، فهناك احتمال لتشغيل وإيقاف ترانزستور نيتريد الغاليوم عن طريق الخطأ. وأخيرًا، نظرًا لأن جهازي الطاقة متصلان على التوالي، فإن إمكانية تقليل مقاومة التشغيل لجهاز نتريد الغاليوم بأكمله محدودة.      
نظراً للمشاكل المذكورة أعلاه في بنية الترانزستورات المتتالية، فإن التقنية السائدة في صناعة أشباه الموصلات الكهربائية هي ترانزستورات نتريد الغاليوم ذات نمط التحسين. فعلى سبيل المثال، يوضح الشكل 6 بنية ترانزستور نتريد الغاليوم CoolGaN من شركة Infineon Technologies Co., Ltd. بالتفصيل.      
      الشكل 6: رسم تخطيطي لبنية CoolGaN
كما هو موضح في الشكل 6، تتميز منتجات ترانزستورات نتريد الغاليوم المتوفرة حاليًا في السوق ببنية مستوية، أي أن المصدر والبوابة والمصب تقع في نفس المستوى، وهو ما يختلف عن البنية الرأسية لترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون بتقنية Super Junction. تشكل بنية P-GaN أسفل البوابة ترانزستور نتريد الغاليوم من نوع التحسين الموصوف سابقًا. كما توجد بنية p-GaN أخرى بجوار المصب لحل مشكلة انهيار التيار التي تحدث غالبًا في ترانزستورات نتريد الغاليوم. تستخدم ركيزة منتجات CoolGaN من شركة Infineon Technologies Co., Ltd. مادة السيليكون، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة مواد ترانزستورات نتريد الغاليوم. نظرًا للاختلاف الكبير في معاملات التمدد الحراري بين مواد السيليكون ومواد نتريد الغاليوم، تُضاف طبقات انتقالية متعددة بين الركيزة وGaN لضمان عدم تعرض ترانزستور نتريد الغاليوم لمشاكل الفشل، مثل انفصال الرقاقة، في ظل ظروف التشغيل القاسية، كدورات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة والصدمات الحرارية.      
       

خصائص ترانزستورات نتريد الغاليوم

استنادًا إلى البنية الموضحة في الشكل 6، فإن CoolGaN يتمتع بالخصائص الموضحة في الجدول 1 والمزايا التي يوفرها.      
      الجدول 1: خصائص CoolGaN ومزاياها
من الخصائص الموضحة في الجدول 1، يتضح أن ترانزستورات نتريد الغاليوم لا تحتوي على ثنائي داخلي، ومع ذلك فهي قادرة على توصيل التيار العكسي، مما يجعلها مناسبة جدًا للدوائر التي تتطلب تدفقًا عكسيًا للتيار في مفتاح الطاقة، والتي تتميز بالتبديل الصعب، مثل دائرة تصحيح معامل القدرة (PFC) من نوع "توتيم بول" بدون جسر في وضع التيار المستمر (CCM)، والتي تتميز بموثوقية وكفاءة عاليتين للغاية. يوضح الشكل 7 مخطط طوبولوجيا الدائرة. في هذا الشكل، يمثل Q1 وQ2 ترانزستورات نتريد الغاليوم، بينما يمثل Q3 وQ4 ترانزستورات MOSFET من السيليكون.      
      الشكل 7: رسم تخطيطي لبنية دارة تصحيح معامل القدرة (PFC) ذات قطب الطوطم باستخدام ترانزستورات نتريد الغاليوم
يتضح من الجدول 1 أن نتريد الغاليوم يتميز بسرعة تبديل فائقة وفقد منخفض للطاقة، مما يجعله مناسبًا جدًا لتطبيقات الترددات العالية. تتميز مصادر الطاقة ذات التبديل عالي التردد التي تستخدم ترانزستورات نتريد الغاليوم بكثافة طاقة عالية وكفاءة عالية. يوضح الشكل 8 محول تيار مستمر إلى تيار مستمر من نوع LLC بقدرة 3.6 كيلوواط. يبلغ تردد الرنين لـ LLC 350 كيلوهرتز. تصل كثافة طاقة المحول إلى 160 واط/بوصة مكعبة، وتتجاوز كفاءته القصوى 98%.      
      الشكل 8: دائرة تحويل LLC بقدرة 3.6 كيلوواط باستخدام CoolGaN
من التحليل أعلاه، يمكن ملاحظة أن ترانزستورات نتريد الغاليوم مناسبة للتطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية وترددًا عاليًا وكثافة طاقة عالية.      
             بنية ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون وخصائصه          

بنية ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون

يوضح الشكل 9 بنية ترانزستور MOSFET مسطح شائع مصنوع من كربيد السيليكون. ولتقليل مقاومة القناة، تُصمم هذه البنية عادةً بطبقة أكسيد بوابة رقيقة جدًا، مما يُعرّض طبقة أكسيد البوابة لمخاطر تتعلق بالموثوقية عند استخدام جهد دخل بوابة عالٍ. ولحل هذه المشكلة، يستخدم منتج CoolSiC من ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون بنية بوابة مختلفة تُسمى ترانزستور MOSFET الخندقي المصنوع من كربيد السيليكون. يوضح الشكل 10 بنية بوابته. بعد اعتماد هذه البنية، لم تعد مقاومة قناة ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون مرتبطة بشكل كبير بطبقة أكسيد البوابة، وبالتالي يمكن الحفاظ على مقاومة منخفضة للغاية مع ضمان موثوقية عالية للبوابة وجدوى استخدامها.      
      الشكل 9: رسم تخطيطي هيكلي لترانزستور MOSFET من كربيد السيليكون المستوي
      الشكل 10: بنية بوابة الخندق CoolSiC
       

خصائص ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون

على غرار ترانزستورات نتريد الغاليوم، تتميز ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون بمقاومة منخفضة في حالة التشغيل ومعاملات طفيلية منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، فإن خصائص ثنائي الجسم فيها محسّنة بشكل كبير مقارنةً بترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون. يوضح الشكل 11 مقارنة بين المؤشرين الرئيسيين RDS(on)*Qrr وRDS(on)*Qoss لترانزستور MOSFET المقاوم للجهد 650 فولت من كربيد السيليكون من إنتاج شركة Infineon، وهما CoolSiC وCoolMOS CFD7، وهو ترانزستور MOSFET من السيليكون يتميز بأفضل أداء لثنائي الجسم في الصناعة. يقيس المؤشر الأول خصائص الاسترداد العكسي لثنائي الجسم، بينما يقيس المؤشر الثاني كمية الشحنة المخزنة على مكثف خرج MOSFET. كلما انخفضت قيم هذين المؤشرين، تحسنت خصائص الاسترداد العكسي وانخفضت الشحنة المخزنة (في بنية التبديل الناعم، تقل منطقة التوقف المطلوبة لأنابيب الطاقة العلوية والسفلية في بنية نصف الجسر). يتضح أنه بالمقارنة مع ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون ذات المقاومة المماثلة، فإن شحنة الاسترداد العكسي لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون تبلغ حوالي 1/6 فقط، والشحنة على مكثف الخرج تبلغ حوالي 1/5 فقط. لذلك، يُعد ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون مناسبًا بشكل خاص للطوبولوجيات التي يتم فيها إيقاف تشغيل ثنائي الجسم بشكل كامل (مثل طوبولوجيا تصحيح معامل القدرة بدون جسر ذي قطبين في وضع التيار المستمر) وطوبولوجيات التبديل الناعم (LLC، وجسر كامل بإزاحة الطور، وما إلى ذلك).      
تتميز ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون بخاصية بارزة: قدرتها على تحمل قصر الدائرة. وبالمقارنة مع ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون، فإن زمن قصر الدائرة فيها مُحسّن بشكل كبير، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات محركات القيادة مثل العاكسات. يوضح الشكل 12 مخططًا مقارنًا لقدرات قصر الدائرة لترانزستوري CoolSiC وCoolMOS. ويتضح من الشكل أن CoolSiC يحقق خصائص ممتازة مثل زمن قصر دائرة طويل وتيار قصر دائرة منخفض، كما أن موثوقيته في ظروف قصر الدائرة مُحسّنة بشكل كبير.      
      الشكل 11: مقارنة أداء ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون وترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون
      الشكل 12: مقارنة قدرات دائرة القصر لترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون
يُقدّم الفصل الثالث بنية وخصائص ترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون. وسنقارن فيما يلي بين معايير ودوائر كل منهما.      
             مقارنة بين ترانزستورات MOSFET المصنوعة من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون          

مقارنة المعلمات الكهربائية

يوضح الجدول 2 ترانزستور نتريد الغاليوم CoolGaN و MOSFET كربيد السيليكون CoolSiC، ويقارن بين المعلمات الرئيسية لأشباه الموصلات الكهربائية.      
      الجدول 2: مقارنة المعايير الرئيسية لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون CoolSiC و CoolGaN
من الجدول 2، نلاحظ أن المعاملات الديناميكية لترانزستورات نتريد الغاليوم أقل من تلك الخاصة بترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون. لذا، فإن خسائر التبديل في ترانزستورات نتريد الغاليوم أقل من تلك الخاصة بترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون، وتبرز مزاياها بشكل أوضح عند ترددات التشغيل العالية. عندما يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس (من المصدر إلى المصرف)، يرتبط انخفاض الجهد في ترانزستور نتريد الغاليوم بجهد التشغيل بين البوابة والمصدر. يجب مقارنة القيمتين الأعلى والأدنى وفقًا لحالة التطبيق. بالنسبة لجهد العتبة الأخير Vgs(th)، تكون قيمة ترانزستور نتريد الغاليوم صغيرة جدًا، مما يعني ضرورة إيلاء اهتمام كبير لتصميم دائرة التشغيل الخاصة به. في حال وجود ضوضاء عالية على البوابة، فقد يؤدي ذلك إلى تشغيل ترانزستور نتريد الغاليوم عن طريق الخطأ. في الوقت نفسه، يعتمد نمط تشغيل CoolGaN على التيار، وهو ما يختلف عن نمط التشغيل التقليدي القائم على الجهد. يتميز ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون بجهد عتبة أعلى بكثير، ومتطلبات تشغيله قريبة جدًا من متطلبات تشغيل IGBT.      
يوضح الشكل 13 مقارنة لمعيار مهم آخر، وهو معدل تغير مقاومة التشغيل RDS(on) مع درجة الحرارة. من المعروف أن مقاومة التشغيل لمفاتيح أشباه الموصلات الكهربائية لها معامل حراري موجب، أي كلما ارتفعت درجة حرارة الوصلة، زادت مقاومة التشغيل. يتضح من الشكل 13 أن معامل ارتفاع درجة الحرارة لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون أقل بكثير من نظيره في ترانزستور نيتريد السيليكون وترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون. عند درجة حرارة وصلة تبلغ 100 درجة مئوية، يصل الفرق إلى 30% و50% على التوالي. وفقًا للشكل 13، يمكن ملاحظة أنه بافتراض أن مقاومة التشغيل لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون وترانزستور نتريد الغاليوم متساوية عند درجة حرارة وصلة تبلغ 25 درجة مئوية، في نفس دائرة التطبيق، فهذا يعني أن فقد التوصيل لكليهما (I_Drms)^2*R_(DS(on))) متساوٍ، ولكن عندما ترتفع درجة حرارة الوصلة لكليهما إلى 100 درجة مئوية، فإن فقد التوصيل لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون لا يتجاوز 70% من فقد التوصيل لترانزستور نتريد السيليكون، وهو أمر جذاب للغاية لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب ظروفًا بيئية قاسية وكفاءة عالية في درجات الحرارة المرتفعة.      
      الشكل 13: منحنيات مقاومة التشغيل لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، وترانزستور نتريد الغاليوم، وترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون كدالة لدرجة حرارة الوصلة
       

مقارنة التطبيق

أولاً، تم اختبار تأثير ترانزستورات نتريد الغاليوم و MOSFETs كربيد السيليكون على كفاءة التحويل على دائرة PFC عديمة الجسر من نوع totem-pole في وضع التيار المستمر (CCM) الموضحة في الشكل 7. تم توضيح شروط الاختبار في الجدول 3.      
      الجدول 3: شروط اختبار دائرة تصحيح معامل القدرة
في الاختبار، تم قياس مقاومة التشغيل (RDS(on)) لجهازين لكل مفتاح طاقة. بالنسبة لترانزستور نتريد الغاليوم، كانت قيمة RDS(on) 35 ملي أوم و45 ملي أوم على التوالي، بينما كانت قيمة RDS(on) لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون 65 ملي أوم و80 ملي أوم على التوالي. تُظهر النتائج في الشكل 14. نظرًا لأن فقد التبديل في مفتاح الطاقة أعلى من فقد التوصيل في ظروف الحمل الخفيف، فإن كفاءة ترانزستورات نتريد الغاليوم أعلى بكثير من كفاءة ترانزستورات كربيد السيليكون. مع زيادة الحمل تدريجيًا، يُشكل فقد التوصيل نسبة أكبر من إجمالي الفقد مقارنةً بفقد التبديل. في الوقت نفسه، مع زيادة الحمل، ترتفع درجة حرارة مفتاح الطاقة. وفقًا لمعدل تغير مقاومة التشغيل مع درجة حرارة الوصلة في الشكل 13، يتضح أن مقاومة التشغيل لترانزستور كربيد السيليكون تزداد بشكل أقل مع ارتفاع درجة الحرارة. لذلك، فإن فرق الكفاءة بين مفتاحي الطاقة عند درجات الحرارة العالية صغير جدًا، على الرغم من أن مقاومة التشغيل لترانزستور كربيد السيليكون عند 25 درجة مئوية أعلى من مقاومة ترانزستور نتريد الغاليوم.      
      الشكل 14: منحنى كفاءة ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم عند مستوى تصحيح معامل القدرة
بعد ذلك، نقارن الكفاءات المحسوبة لترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون عند ترددات تشغيل مختلفة في دارة كهربائية ثنائية الطور متداخلة متوازية نصف جسر LLC بقدرة خرج 3 كيلوواط. يتجاهل الحساب تأثير زيادة الفقد في المكونات المغناطيسية (بما في ذلك المحاثات الرنانة ومحاثات الطاقة الرئيسية) الناتج عن زيادة التردد. يوضح الشكل 15 بنية الدارة. تم اختيار ترانزستور نتريد الغاليوم من طراز IGOT60R070D1 (أقصى مقاومة RDS(on) عند 25 درجة مئوية هي 70 ملي أوم)، بإجمالي 8 ترانزستورات. أما ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، فقد تم اختياره من طراز IMZA65R048M1H (أقصى مقاومة RDS(on) عند 25 درجة مئوية هي 64 ملي أوم)، بإجمالي 8 ترانزستورات.      
      الشكل 15: رسم تخطيطي لدائرة LLC متوازية متداخلة ثنائية الطور
في ظل حمل 50% (1500 واط) وبيئة عمل بدرجة حرارة عادية، يوضح الشكل 16 مقارنة الكفاءة عند ترددات تشغيل مختلفة. عند ترددات تشغيل منخفضة (<100 كيلوهرتز)، تكون كفاءة استخدام ترانزستورات نتريد الغاليوم وموسفتات كربيد السيليكون ذات المقاومة التشغيلية المتشابهة متقاربة، ويمكن لكليهما تحقيق كفاءة عالية جدًا (>99.2%). عند زيادة تردد التشغيل إلى 300 كيلوهرتز، ونظرًا لصغر معاملاته الطفيلية، فإن نسبة خسائر التبديل في نتريد الغاليوم من إجمالي الخسائر منخفضة جدًا، لذا تنخفض كفاءته بشكل طفيف جدًا (0.08%)، بينما تنخفض كفاءة موسفتات كربيد السيليكون بنسبة 0.58% (99.28%-98.7%). عند ارتفاع تردد التشغيل إلى 500 كيلوهرتز، يصبح الفرق في الكفاءة بين النوعين كبيرًا جدًا (1%). بالطبع، بالنسبة لدائرة فعلية، مع الأخذ في الاعتبار أن الزيادة في التردد ستؤدي إلى زيادة حادة في فقدان المكونات المغناطيسية، فإن فرق الكفاءة بين الاثنين لن يكون كبيرًا جدًا، لكن اتجاه تغير الكفاءة هو نفسه.      
      الشكل 16: مقارنة كفاءة جهازي طاقة عند ترددات تشغيل مختلفة
             توصيات استخدام ترانزستورات MOSFET المصنوعة من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون          

وفقًا للمناقشات الواردة في الفصلين 3 و 4، واستنادًا إلى منتجات ترانزستورات نتريد الغاليوم و MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون من شركة Infineon Technologies Co., Ltd.، فإن توصيات التطبيق لهذين النوعين من أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة هي كما يلي:
(1) لأسباب معينة، يجب أن يعمل النظام المستخدم بتردد يتجاوز 200 كيلوهرتز. تُعد ترانزستورات نتريد الغاليوم الخيار الأول، تليها ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون. إذا كان تردد التشغيل أقل من 200 كيلوهرتز، فيمكن استخدام كليهما؛
(2) يتطلب النظام المستخدم كفاءة عالية للغاية من الحمل الخفيف إلى نصف الحمل. تعتبر ترانزستورات نتريد الغاليوم الخيار الأول، تليها ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون؛
(3) إذا كان النظام المستخدم لديه درجة حرارة تشغيل قصوى عالية، أو صعوبة في تبديد الحرارة، أو يتطلب كفاءة عالية للغاية عند الحمل الكامل، فإن ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون هي الخيار الأول، تليها ترانزستورات نتريد الغاليوم؛
(4) يعاني النظام المستخدم من تداخل ضوضاء كبير، وخاصة تداخل قيادة البوابة. يعتبر ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون هو الخيار الأول، وترانزستور نتريد الغاليوم هو الخيار الثاني؛
(5) إذا كان النظام المستخدم يتطلب مفتاح طاقة ذو قدرة كبيرة على تحمل قصر الدائرة، فإن MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون هو الخيار الأول؛
(6) بالنسبة لأنظمة التطبيقات الأخرى التي لا تتطلب متطلبات خاصة، فإن اختيار المنتج يعتمد على عوامل مثل طريقة تبديد الحرارة وكثافة الطاقة ومدى إلمام المصمم بالاثنين.      
             تلخيص          

تُقدّم هذه المقالة شرحًا مُفصّلًا لبنية وخصائص واختلافات الأداء واقتراحات التطبيقات لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض التي ظهرت في السنوات الأخيرة، وتحديدًا ترانزستورات نتريد الغاليوم وترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون. ونظرًا لما تتمتع به أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض من مزايا أداء عديدة لا تُضاهيها أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون، فإنّ الصناعة تتجه نحو استخدامها بشكل متزايد.      
     

مع ازدياد معرفة الصناعة بهذه التقنية وتطور خبرتها التطبيقية، سيرتفع استخدامها بشكل ملحوظ، مما سيؤدي إلى انخفاض أسعارها. وهذا بدوره سيشجع على استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض على نطاق أوسع، مُشكلاً بذلك حلقة إيجابية. لذا، من الأهمية بمكان أن يتقن مهندسو الكهرباء استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض في أقرب وقت ممكن لتعزيز القدرة التنافسية لمنتجاتهم، وزيادة انتشارها، وتطوير مهاراتهم. أعتقد أن هذه المقالة مرجع قيّم لمهندسي الكهرباء للتعرف على أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض واستخدامها.

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من موقع "TechSugar". وهي لا تُمثل آراء شركة Sacco Micro أو قطاع الصناعة، بل تُعبر فقط عن وجهة نظر الكاتب الشخصية. يُقصد بإعادة نشرها ومشاركتها دعمًا لحماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم الكاتب عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن