परिचय: गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के लिए उत्कृष्ट भौतिक गुण रखते हैं, जिससे विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार की अपार संभावनाएं हैं। विद्युत आपूर्ति प्रणाली के सबसे मूलभूत अर्धचालक घटक के रूप में, SiC विद्युत उपकरणों ने सैन्य और नागरिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में बिजली और ऊर्जा दक्षता में उल्लेखनीय सुधार किया है, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहन, उच्च गति रेल, सौर और पवन ऊर्जा ग्रिड कनेक्शन, यूपीएस निर्बाध विद्युत आपूर्ति, विद्युत चुम्बकीय उत्सर्जन और अन्य क्षेत्र, और ये नए ऊर्जा बाजार में नए पसंदीदा बन गए हैं।    
           

शुरुआत से पहले बातचीत करें

तीसरी पीढ़ी के अर्ध-ऊर्जा उपकरणों का महत्व शक्ति बढ़ाने, दक्षता में सुधार करने और आकार कम करने में निहित है, जिसे नजरअंदाज नहीं किया जा सकता। देश धीरे-धीरे अर्धचालक क्षेत्र पर अधिक ध्यान दे रहा है, और पूंजी बाजार भी इस ओर आकर्षित हो रहा है। विशेष रूप से चल रहे व्यापार युद्ध में, बिजली उपकरणों के स्वतंत्र उत्पादन के महत्व के प्रति सभी और भी अधिक जागरूक हो गए हैं। खेल में आवश्यक उपकरणों की तरह, कलाकृतियों के निर्माण के लिए बिजली उपकरण एक ऐसा तत्व है जिसे किसी भी स्थिति में नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है। आजकल, तीसरी पीढ़ी के अर्ध-ऊर्जा उपकरण क्षेत्र में घरेलू टीमें भी उभर कर सामने आई हैं और बेहद सक्रिय हैं। इनमें से, पाइनजी कंपनी ने उत्कृष्ट प्रदर्शन वाले सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरण बनाए हैं।  
आइए SiC के उत्कृष्ट प्रदर्शन के पहलुओं पर औपचारिक रूप से चर्चा करें।  
           

विद्युत उपकरण का हानि मूल्य

किसी विद्युत उपकरण के प्रदर्शन का महत्वपूर्ण सूचक उसका कुल हानि है, जो दो भागों से मिलकर बनता है। पहला भाग हैचालन हानि(चालन हानि) एक हैस्विचिंग हानियाँ(स्विचिंग लॉस)। दूसरे शब्दों में, लॉस जितना कम होगा, दक्षता उतनी ही अधिक होगी, जिसके परिणामस्वरूप आकार छोटा, दक्षता अधिक और वजन हल्का होगा, जो आधुनिक अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं के लिए अधिक उपयुक्त है। उदाहरण के लिए, टेस्ला मॉडल 3 की कीमत को लगभग 250,000 तक कम करने का एक महत्वपूर्ण कारण यह है कि उन्होंने SiC तकनीक का उपयोग किया, जिससे बैटरी का प्रदर्शन बेहतर हुआ और आकार व वजन कम हुआ, जिससे अन्य लागतें भी कम हुईं।

एप्लिकेशन विक्रेताओं और पूंजीपतियों को यह समझने में मदद करने के लिए कि उद्योग में पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों और उनके मुख्य मापदंडों की तुलना और मूल्यांकन कैसे किया जाता है, हम नीचे प्रत्येक की क्षैतिज रूप से तुलना करेंगे और प्रत्येक कंपनी के SiC MOSFET डिवाइस उत्पादों के तकनीकी लाभों और हानियों पर संक्षेप में टिप्पणी करेंगे।  
           

                           यह एक अच्छा विकल्प है

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों की पुरानी पीढ़ी में, कम स्विचिंग आवृत्ति के कारण, चालन हानि प्रमुख भूमिका निभाती है। इस उद्योग के प्रवर्तक और राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी के शिक्षाविदप्रोफेसर जयंत बी. बलिगा(इसके बाद बाशेन के रूप में संदर्भित) सन् 1989 में ही विद्युत उपकरणों के चालन हानि का मूल्यांकन करने के लिए एक गुणवत्ता कारक प्रस्तावित किया गया था।

(देखें [i]), ε जहाँ ε अर्धचालक पदार्थ का परावैद्युत स्थिरांक है, μ इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है,E_Cयह ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड है। बैशेन के सूत्र के अनुसार, यदि हम सिलिकॉन पदार्थ के बीएफएम कारक को 1 इकाई मानते हैं, तो SiC पदार्थ का बीएफएम कारक 231 इकाई होता है। इसका क्या मतलब है? यह दर्शाता है कि समान उच्च वोल्टेज वाले मल्टी-सब पावर डिवाइस (MOSFET, शॉटकी डायोड, आदि) बनाते समय, SiC पदार्थों का ऑन-रेसिस्टेंस 230 गुना कम होता है! इसका अर्थ है कि समान धारा के तहत SiC उपकरणों का चालन हानि सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में 230 गुना कम होता है! सिलिकॉन के सापेक्ष GaN का सामान्यीकृत बीएफएम 2097 है, और Ga2O3 का 6170 है! सरल शब्दों में कहें तो, बैशेन ने 1980 के दशक में ही भविष्यवाणी कर दी थी,विद्युत अर्धचालकों का भविष्य व्यापक बैंडगैप वाले अर्धचालकों द्वारा ही संचालित होना चाहिए।!
 

 

चित्र i
 
 

जयन्त बी बालिगा   
पिछले 20 वर्षों में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, लोगों ने पाया है कि स्विच की उच्च स्विचिंग आवृत्ति सर्किट में कैपेसिटर और इंडक्टर जैसे निष्क्रिय घटकों के उपयोग को कम कर सकती है, और सिस्टम के आकार और वजन को कम कर सकती है। हालांकि, सिस्टम की आवृत्ति बढ़ने के साथ, पावर उपकरणों की स्विचिंग हानि तेजी से महत्वपूर्ण हो जाती है, और आवश्यक शीतलन प्रणाली की लागत और आकार भी तदनुसार बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप आवृत्ति को और बढ़ाकर सिस्टम को महत्वपूर्ण रूप से अनुकूलित करना संभव नहीं हो पाता है। एक अन्य प्रसिद्ध प्रोफेसर,एलेक्स क्यू. हुआंग2004 में, उन्होंने एक गुणवत्ता कारक प्रस्तावित किया जो उपकरण चालन हानि और स्विचिंग हानि का व्यापक रूप से मूल्यांकन करता है।

(देखें [ii]), जहाँ R_{डी.एस.,पर}डिवाइस का ऑन-रेज़िस्टेंस, कंडक्शन लॉस Q के समानुपाती होता है।_gdयह डिवाइस की गेट-टू-ड्रेन मिलर कैपेसिटेंस में संग्रहित चार्ज है और स्विचिंग लॉस के समानुपाती है। साथ ही, क्योंकि R_{डी.एस.,पर}उपकरण के क्षेत्रफल, Q के व्युत्क्रमानुपाती_gdडिवाइस के क्षेत्रफल के अनुपात में, उनका उत्पाद डिवाइस के क्षेत्रफल (या लागत) के प्रभाव को संतुलित करता है, जिससे उच्च आवृत्ति संचालन के तहत डिवाइस के समग्र हानि स्तर का पता चलता है। सरल शब्दों में कहें तो, एचडीएफएम गुणवत्ता कारक जितना कम होगा, डिवाइस की समग्र गुणवत्ता उतनी ही बेहतर होगी।हानि जितनी कम होगी, दक्षता उतनी ही अधिक होगी। !
 
 

एलेक्स क्यू. हुआंग  
इस विधि का उपयोग करके, आइए बाजार में मौजूद प्रमुख SiC MOSFET आपूर्तिकर्ताओं के उत्पाद प्रदर्शन की तुलना करें:
     

कारखाना	Infineon	इतालवी कानून	कोरी	रोमा	पाइन जे	एक घरेलू ब्रांड
मूल	यूरोप	यूरोप	अमेरिका	जापान	चीन	चीन
प्रौद्योगिकी मंच	पहली पीढ़ी की खाई	दूसरी पीढ़ी का विमान	तीसरी पीढ़ी का विमान	तीसरी पीढ़ी की खाई	तीसरी पीढ़ी का विमान	नहीं.? पीढ़ी विमान
आरडीएस,ऑन (एम?)	90	60	75	80	80	80
क्यूजीडी (एनसी)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
सामान्यीकृत एचडीएफएम	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*उपरोक्त डेटा इंटरनेट पर सार्वजनिक रूप से डाउनलोड करने योग्य डेटाशीट से लिया गया है।

आइए पहले इस तुलना तालिका के माध्यम से निष्कर्ष निकालें।प्लेनर एमओएस प्रौद्योगिकी में, एक घरेलू ब्रांड के रूप में, पाइनजी सेमीकंडक्टर के उत्पाद पहले से ही विश्व में अग्रणी हैं, और जटिल प्रक्रियाओं वाली ट्रेंच एमओएस प्रौद्योगिकी के बहुत करीब हैं!आदर्श परिस्थितियों में, समान अनुप्रयोग परिदृश्य के लिए, यदि इन्फिनियन के नवीनतम कूलएसआईसी डिवाइस को बेंचमार्क के रूप में उपयोग किया जाता है, और डिवाइस की कुल बिजली खपत कम से कम 10W है, तो पेनजी के एसआईसी एमओएसएफईटी की बिजली खपत 12.9W है, केरुई के उत्पादों की बिजली खपत 18.3W है, एसटीमाइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और रोहम की बिजली खपत लगभग 21W है, और एक घरेलू ब्रांड की बिजली खपत 31W है।

निष्कर्ष

परिवहन वाहनों के विद्युतीकरण, नए बुनियादी ढांचे और अन्य परियोजनाओं के चलते, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण प्रमुख विद्युत संयंत्रों की रणनीतिक योजना का केंद्र बिंदु बन जाएंगे। टेस्ला, एसटीमाइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के साथ पूर्ण सहयोग कर रही है और वोक्सवैगन, कोरी का समर्थन कर रही है... जो विद्युत संयंत्र SiC विद्युत उपकरणों की नवीनतम तकनीक और उत्पादन क्षमता का लाभ उठा सकेंगे, उन्हें अद्वितीय रणनीतिक लाभ प्राप्त होंगे।

अस्वीकरण: यह लेख "थ्री एंड ए हाफ जेनरेशन्स ऑफ अल्केमिस्ट्स" से लिया गया है, जो बौद्धिक संपदा अधिकारों के संरक्षण का समर्थन करता है। कृपया पुनर्मुद्रण के समय मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन होता है, तो कृपया इसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।

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