गैलियम नाइट्राइडट्रांजिस्टर औरसिलिकन कार्बाइडपिछले दो-तीन वर्षों में MOSFET एक उभरता हुआ पावर सेमीकंडक्टर है। पारंपरिक सिलिकॉन पावर सेमीकंडक्टरों की तुलना में, इनमें कई उत्कृष्ट विशेषताएं हैं: उच्च वोल्टेज सहनशीलता, कम ऑन-रेज़िस्टेंस, कम पैरासिटिक पैरामीटर आदि। इनमें कुछ अनूठी विशेषताएं भी हैं: गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टरों के बेहद कम पैरासिटिक पैरामीटर और अत्यंत तीव्र स्विचिंग गति इन्हें उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है। सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की आसान ड्राइव और उच्च विश्वसनीयता इसे उच्च-प्रदर्शन स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए उपयुक्त बनाती है।

यह लेख इन्फिनियन के गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी उत्पादों पर आधारित है, और इन दोनों के बीच संरचनाओं, विशेषताओं और अनुप्रयोग संबंधी अंतरों का विस्तृत परिचय प्रदान करता है।      
तीसरी पीढ़ी के विद्युत अर्धचालकों के अद्वितीय जुड़वां माने जाने वाले गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET उद्योग जगत, विशेषकर विद्युत इंजीनियरों का ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। विद्युत इंजीनियरों द्वारा इन दो विद्युत अर्धचालकों पर इतना ध्यान देने का कारण यह है कि इनके पदार्थों में पारंपरिक सिलिकॉन पदार्थों की तुलना में अनेक लाभ हैं, जैसा कि चित्र 1 में दर्शाया गया है। गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड पदार्थों की बड़ी बैंडगैप चौड़ाई और उच्च क्रांतिक क्षेत्र शक्ति के कारण इन पदार्थों पर आधारित विद्युत अर्धचालकों में उच्च सहनशीलता वोल्टेज, कम ऑन-रेसिस्टेंस और कम परजीवी पैरामीटर जैसे उत्कृष्ट गुण होते हैं। स्विचिंग विद्युत आपूर्ति के क्षेत्र में उपयोग किए जाने पर, इनमें कम हानि, उच्च परिचालन आवृत्ति और उच्च विश्वसनीयता के लाभ होते हैं, जो स्विचिंग विद्युत आपूर्ति की दक्षता, विद्युत घनत्व और विश्वसनीयता में उल्लेखनीय सुधार कर सकते हैं।      
          चित्र 1: सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड के प्रमुख गुणों की तुलना
उपरोक्त उत्कृष्ट विशेषताओं के कारण, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का औद्योगिक क्षेत्रों में तेजी से उपयोग हो रहा है और भविष्य में इनका व्यापक उपयोग होगा। चित्र 2 में IHS Markit द्वारा दिए गए इन दोनों पावर सेमीकंडक्टरों के अनुप्रयोग क्षेत्र और बिक्री पूर्वानुमान दर्शाए गए हैं। अनुप्रयोग क्षेत्रों के विस्तार के साथ-साथ गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की बिक्री में भी उल्लेखनीय वृद्धि होगी। चित्र 3 में IHS Markit द्वारा दिए गए इन दोनों पावर सेमीकंडक्टरों के बिक्री पूर्वानुमान दर्शाए गए हैं।      
      चित्र 2: गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी के अनुप्रयोग क्षेत्र और बिक्री पूर्वानुमान
      चित्र 3: गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी की बिक्री का पूर्वानुमान
इस लेख के अध्याय 2 में गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की संरचना और विशेषताओं का विस्तृत परिचय दिया जाएगा। अध्याय 3 में सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की संरचना और विशेषताओं का विस्तृत परिचय दिया जाएगा। अध्याय 4 में इन दोनों विद्युत अर्धचालकों के एक ही परिपथ में उपयोग का तुलनात्मक विश्लेषण किया जाएगा ताकि उनके अनुप्रयोगों में समानताएं और अंतर स्पष्ट रूप से समझाए जा सकें। अंत में, संपूर्ण लेख का सारांश प्रस्तुत किया जाएगा।      
             गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की संरचना और विशेषताएं          

गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की संरचना

सिलिकॉन से बने पावर सेमीकंडक्टरों के विपरीत, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर दो अलग-अलग बैंडगैप वाली सामग्रियों (आमतौर पर AlGaN और GaN) के इंटरफ़ेस पर पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव से निर्मित द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) के माध्यम से विद्युत का संचालन करते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। चूंकि द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस केवल उच्च सांद्रता वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ विद्युत का संचालन करती है, इसलिए सिलिकॉन MOSFET में अल्पसंख्यक वाहक पुनर्संयोजन (अर्थात, बॉडी डायोड रिवर्स रिकवरी) की कोई समस्या नहीं होती है।      
      चित्र 4: गैलियम नाइट्राइड के चालकता सिद्धांत का योजनाबद्ध आरेख
चित्र 4 में दर्शाए गए मूल गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की संरचना एक डिप्लेशन-मोड हाई इलेक्ट्रॉन मोबिलिटी ट्रांजिस्टर (HEMT) है, जिसका अर्थ है कि जब गेट और सोर्स के बीच कोई वोल्टेज नहीं लगाया जाता (VGS=0V), तो गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का ड्रेन और कंपोनेंट दोनों ही चालक होते हैं, यानी यह एक सामान्य रूप से चालू डिवाइस है। यह पारंपरिक सामान्य रूप से बंद MOSFET या IGBT पावर स्विच से पूरी तरह अलग है, जिनका औद्योगिक अनुप्रयोगों, विशेष रूप से स्विचिंग पावर सप्लाई के क्षेत्र में उपयोग करना बहुत मुश्किल है। इस समस्या से निपटने के लिए, उद्योग में आमतौर पर दो समाधान होते हैं। एक है कैस्केड संरचना का उपयोग करना, और दूसरा है गेट में P-प्रकार के गैलियम नाइट्राइड को जोड़कर एक एनहांसमेंट मोड (सामान्य रूप से बंद) ट्रांजिस्टर बनाना। इन दोनों की संरचनाएं चित्र 5 में दर्शाई गई हैं।      
      चित्र 5: गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की दो संरचनाएं
कैस्केड संरचना में गैलियम नाइट्राइड, डिप्लेशन-टाइप गैलियम नाइट्राइड को कम वोल्टेज वाले सिलिकॉन MOSFET के साथ कैस्केड में जोड़ा गया है। इस संरचना का लाभ यह है कि इसका ड्राइव पारंपरिक सिलिकॉन MOSFET के समान ही होता है (क्योंकि यह सिलिकॉन MOSFET को ड्राइव करता है)। हालांकि, इस संरचना में कुछ बड़ी कमियां भी हैं। पहली, सिलिकॉन MOSFET में एक बॉडी डायोड होता है। जब गैलियम नाइट्राइड विपरीत दिशा में करंट प्रवाहित करता है, तो बॉडी डायोड में रिवर्स रिकवरी की समस्या उत्पन्न होती है। दूसरी, सिलिकॉन MOSFET का ड्रेन डिप्लेशन-मोड गैलियम नाइट्राइड के सोर्स से जुड़ा होता है। सिलिकॉन MOSFET के ऑन और ऑफ होने के दौरान, ड्रेन और सोर्स के बीच होने वाला दोलन, गैलियम नाइट्राइड के सोर्स और गेट के बीच होने वाले दोलन के समान होता है। चूंकि यह दोलन अपरिहार्य है, इसलिए संभावना है कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर गलती से ऑन और ऑफ हो जाए। अंत में, चूंकि दो पावर डिवाइस एक साथ कैस्केड में जुड़े होते हैं, इसलिए संपूर्ण गैलियम नाइट्राइड डिवाइस के ऑन-रेसिस्टेंस को और कम करने की संभावना सीमित हो जाती है।      
कैस्केड संरचना में उपरोक्त समस्याओं के कारण, विद्युत अर्धचालक उद्योग में गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की मुख्यधारा की तकनीक एन्हांसमेंट मोड गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर है। इन्फिनियन टेक्नोलॉजीज कंपनी लिमिटेड के गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर कूलगैन को उदाहरण के रूप में लेते हुए, इसकी विस्तृत संरचना चित्र 6 में दर्शाई गई है।      
      चित्र 6: कूलगैन संरचना का योजनाबद्ध आरेख
चित्र 6 में दर्शाए अनुसार, उद्योग में वर्तमान गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर उत्पादों की संरचना समतल होती है, यानी स्रोत, गेट और ड्रेन एक ही समतल में होते हैं, जो सुपर जंक्शन तकनीक द्वारा दर्शाए गए सिलिकॉन MOSFET की ऊर्ध्वाधर संरचना से भिन्न है। गेट के नीचे की P-GaN संरचना पहले वर्णित संवर्धित मोड गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का निर्माण करती है। ड्रेन के बगल में एक और P-GaN संरचना गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टरों में अक्सर होने वाली करंट कोलैप्स की समस्या को हल करने के लिए है। इन्फिनियन टेक्नोलॉजीज कंपनी लिमिटेड के कूलGaN उत्पादों का सबस्ट्रेट सिलिकॉन सामग्री का उपयोग करता है, जिससे गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टरों की सामग्री लागत में काफी कमी आती है। चूंकि सिलिकॉन और गैलियम नाइट्राइड सामग्रियों के तापीय विस्तार गुणांक बहुत भिन्न होते हैं, इसलिए सबस्ट्रेट और GaN के बीच कई संक्रमण परतें जोड़ी जाती हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर उच्च और निम्न तापमान चक्रों और उच्च और निम्न तापमान झटकों जैसी कठोर कार्य परिस्थितियों में वेफर डीलेमिनेशन जैसी विफलता समस्याओं का सामना न करे।      
       

गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की विशेषताएं

चित्र 6 में दर्शाई गई संरचना के आधार पर, CoolGaN में तालिका 1 में दर्शाई गई विशेषताएं और इसके द्वारा लाए जाने वाले लाभ हैं।      
      तालिका 1: कूलगैन की विशेषताएं और इसके लाभ
तालिका 1 में दर्शाई गई विशेषताओं से यह स्पष्ट है कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर में बॉडी डायोड नहीं होता है, फिर भी वे विपरीत धारा प्रवाहित कर सकते हैं। इसलिए, ये उन परिपथों के लिए अत्यंत उपयुक्त हैं जिनमें पावर स्विच के विपरीत धारा प्रवाह की आवश्यकता होती है और जो हार्ड-कम्यूटेशन वाले होते हैं, जैसे कि करंट कंटीन्यूअस मोड (CCM) में टोटेम पोल ब्रिजलेस पीएफसी। इन परिपथों में अत्यंत उच्च विश्वसनीयता और दक्षता प्राप्त की जा सकती है। परिपथ की संरचना का आरेख चित्र 7 में दर्शाया गया है। चित्र में, Q1 और Q2 गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर हैं, और Q3 और Q4 सिलिकॉन MOSFET हैं।      
      चित्र 7: गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का उपयोग करके टोटेम पोल पीएफसी टोपोलॉजी का योजनाबद्ध आरेख
तालिका 1 से यह भी पता चलता है कि गैलियम नाइट्राइड की स्विचिंग गति अत्यंत तीव्र होती है और ड्राइविंग हानि कम होती है, इसलिए यह उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयुक्त है। गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का उपयोग करने वाली उच्च आवृत्ति स्विचिंग पावर सप्लाई में उच्च पावर घनत्व और उच्च दक्षता के लाभ होते हैं। चित्र 8 में 3.6 किलोवाट एलएलसी टोपोलॉजी डीसी-डीसी कनवर्टर दिखाया गया है। एलएलसी की अनुनाद आवृत्ति 350 किलोहर्ट्ज़ है। कनवर्टर का पावर घनत्व 160 वाट/इंच³ तक पहुँचता है और अधिकतम दक्षता 98% से अधिक है।      
      चित्र 8: कूलगैन का उपयोग करके बनाया गया 3.6 किलोवाट एलएलसी रूपांतरण परिपथ
उपरोक्त विश्लेषण से यह देखा जा सकता है कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर उच्च दक्षता, उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति घनत्व की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।      
             सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की संरचना और उसकी विशेषताएं          

सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की संरचना

एक सामान्य प्लेनर सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की संरचना चित्र 9 में दर्शाई गई है। चैनल प्रतिरोध को कम करने के लिए, इस संरचना को आमतौर पर बहुत पतली गेट ऑक्साइड परत के साथ डिज़ाइन किया जाता है, जिससे उच्च गेट इनपुट वोल्टेज पर गेट ऑक्साइड परत की विश्वसनीयता पर खतरा मंडराता है। इस समस्या को हल करने के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET उत्पाद CoolSiC एक अलग गेट संरचना का उपयोग करता है, जिसे ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET कहा जाता है। इसकी गेट संरचना चित्र 10 में दर्शाई गई है। इस संरचना को अपनाने के बाद, सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का चैनल प्रतिरोध अब गेट ऑक्साइड परत से दृढ़ता से संबंधित नहीं रहता है, इसलिए उच्च गेट विश्वसनीयता और व्यवहार्यता सुनिश्चित करते हुए भी ऑन-रेसिस्टेंस अत्यंत कम हो सकता है।      
      चित्र 9: समतल सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख
      चित्र 10: कूलएसआईसी ट्रेंच गेट संरचना
       

सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की विशेषताएं

गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की तरह, सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET में भी कम ऑन-रेज़िस्टेंस और कम पैरासिटिक पैरामीटर की विशेषताएँ होती हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन MOSFET की तुलना में इनके बॉडी डायोड गुण भी काफी बेहतर होते हैं। चित्र 11 में इन्फिनियन के सिलिकॉन कार्बाइड 650V वोल्टेज-रेज़िस्टेंट MOSFET CoolSiC और CoolMOS CFD7 के दो मुख्य संकेतकों RDS(on)*Qrr और RDS(on)*Qoss की तुलना दर्शाई गई है। CoolMOS CFD7 उद्योग में सर्वश्रेष्ठ बॉडी डायोड प्रदर्शन वाला सिलिकॉन पावर MOSFET है। पहला संकेतक बॉडी डायोड की रिवर्स रिकवरी विशेषताओं को मापता है, और दूसरा संकेतक MOSFET आउटपुट कैपेसिटर पर संग्रहित आवेश की मात्रा को मापता है। इन दोनों मानों का मान जितना कम होगा, रिवर्स रिकवरी विशेषताएँ उतनी ही बेहतर होंगी और संग्रहित आवेश उतना ही कम होगा (सॉफ्ट स्विचिंग टोपोलॉजी में, हाफ-ब्रिज संरचना के ऊपरी और निचले पावर ट्यूबों के लिए आवश्यक डेड ज़ोन उतना ही छोटा होगा)। यह देखा जा सकता है कि समान ऑन-रेज़िस्टेंस वाले सिलिकॉन MOSFET की तुलना में, सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का रिवर्स रिकवरी चार्ज लगभग 1/6 होता है, और आउटपुट कैपेसिटर पर चार्ज लगभग 1/5 होता है। इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET उन टोपोलॉजी के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है जहां बॉडी डायोड को हार्ड टर्न ऑफ किया जाएगा (जैसे करंट कंटीन्यूअस मोड टोटेम पोल ब्रिजलेस PFC) और सॉफ्ट स्विचिंग टोपोलॉजी (LLC, फेज-शिफ्टेड फुल ब्रिज, आदि)।      
सिलिकॉन कार्बाइड MOSFETs की एक और उत्कृष्ट विशेषता है: शॉर्ट सर्किट क्षमता। सिलिकॉन MOSFET की तुलना में, इसका शॉर्ट सर्किट समय काफी बेहतर है, जो इनवर्टर जैसे मोटर ड्राइव अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। चित्र 12 में CoolSiC और CoolMOS की शॉर्ट सर्किट क्षमताओं का तुलनात्मक चार्ट दिखाया गया है। चित्र से स्पष्ट है कि CoolSiC में लंबे शॉर्ट सर्किट समय और कम शॉर्ट सर्किट करंट जैसी उत्कृष्ट विशेषताएं हैं, और शॉर्ट सर्किट स्थितियों में इसकी विश्वसनीयता में काफी सुधार हुआ है।      
      चित्र 11: सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET और सिलिकॉन MOSFET के प्रदर्शन की तुलना
      चित्र 12: सिलिकॉन कार्बाइड MOSFETs की शॉर्ट सर्किट क्षमताओं की तुलना
अध्याय 3 में गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की संरचनाओं और विशेषताओं का परिचय दिया गया है। आगे इन दोनों के मापदंडों और वास्तविक परिपथों की तुलना की जाएगी।      
             गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFETs की तुलना          

विद्युत मापदंडों की तुलना

तालिका 2 में गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर CoolGaN और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET CoolSiC को दर्शाया गया है, जिसमें दोनों पावर सेमीकंडक्टरों के प्रमुख मापदंडों की तुलना की गई है।      
      तालिका 2: कूलगैन और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी कूलएसआईसी के प्रमुख मापदंडों की तुलना
तालिका 2 से हम देख सकते हैं कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर के गतिशील पैरामीटर सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की तुलना में कम हैं। इसलिए, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की स्विचिंग हानि सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की तुलना में कम होती है, और उच्च परिचालन आवृत्तियों पर इनके लाभ अधिक स्पष्ट होंगे। जब धारा विपरीत दिशा में (स्रोत से ड्रेन की ओर) प्रवाहित होती है, तो गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का वोल्टेज ड्रॉप इसके गेट-टू-सोर्स ड्राइव वोल्टेज से संबंधित होता है। अनुप्रयोग की स्थिति के अनुसार यह तुलना करना आवश्यक है कि कौन सा मान अधिक है और कौन सा कम। अंतिम थ्रेशोल्ड वोल्टेज Vgs(th) के लिए, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का मान बहुत कम होता है, जिसका अर्थ है कि गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर के ड्राइव डिज़ाइन पर विशेष ध्यान देना आवश्यक है। यदि गेट पर शोर अधिक है, तो इससे गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर अनजाने में चालू हो सकता है। साथ ही, CoolGaN एक धारा-प्रकार का ड्राइव मोड है, जो पारंपरिक वोल्टेज-प्रकार के ड्राइव से भिन्न है। सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का थ्रेशोल्ड वोल्टेज काफी अधिक होता है, और इसकी ड्राइविंग आवश्यकताएं IGBT ड्राइविंग के बहुत करीब होती हैं।      
चित्र 13 एक अन्य महत्वपूर्ण पैरामीटर, यानी तापमान के साथ ऑन-रेज़िस्टेंस RDS(on) के परिवर्तन की दर की तुलना दर्शाता है। यह सर्वविदित है कि पावर सेमीकंडक्टर स्विच के ऑन-रेज़िस्टेंस का तापमान गुणांक धनात्मक होता है, अर्थात् जंक्शन तापमान जितना अधिक होगा, ऑन-रेज़िस्टेंस उतना ही अधिक होगा। चित्र 13 से देखा जा सकता है कि सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का तापमान वृद्धि गुणांक सिलिकॉन नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन MOSFET की तुलना में काफी कम है। जब जंक्शन तापमान 100°C होता है, तो यह अंतर क्रमशः 30% और 50% तक पहुँच जाता है। चित्र 13 के अनुसार, यह देखा जा सकता है कि यदि समान अनुप्रयोग परिपथ में 25°C के जंक्शन तापमान पर सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET और गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का ऑन-रेसिस्टेंस समान माना जाए, तो दोनों का चालन हानि (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) समान होगा। लेकिन जब दोनों का जंक्शन तापमान 100°C तक बढ़ जाता है, तो सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का चालन हानि सिलिकॉन नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की तुलना में केवल 70% रह जाता है, जो कठोर पर्यावरणीय आवश्यकताओं और उच्च तापमान पर उच्च दक्षता वाले अनुप्रयोग परिदृश्यों के लिए बहुत आकर्षक है।      
      चित्र 13: जंक्शन तापमान के फलन के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन MOSFET के ऑन-रेज़िस्टेंस वक्र।
       

अनुप्रयोग तुलना

सबसे पहले, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी के रूपांतरण दक्षता पर प्रभाव का परीक्षण चित्र 7 में दिखाए गए करंट कंटीन्यूअस मोड (सीसीएम) के टोटेम-पोल ब्रिजलेस पीएफसी सर्किट पर किया गया। परीक्षण की शर्तें तालिका 3 में दर्शाई गई हैं।      
      तालिका 3: पीएफसी सर्किट परीक्षण की शर्तें
इस परीक्षण में, प्रत्येक पावर स्विच के लिए दो ऑन-रेज़िस्टेंस उपकरणों का परीक्षण किया गया। गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर के लिए, RDS(on) क्रमशः 35 मोहम और 45 मोहम था, और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET के लिए क्रमशः 65 मोहम और 80 मोहम था। परीक्षण परिणाम चित्र 14 में दर्शाए गए हैं। हल्के भार की स्थिति में पावर स्विच का स्विचिंग लॉस, कंडक्शन लॉस से अधिक होने के कारण, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की दक्षता सिलिकॉन कार्बाइड ट्रांजिस्टर की तुलना में काफी अधिक है। जब भार धीरे-धीरे बढ़ता है, तो कुल हानि में कंडक्शन लॉस का अनुपात स्विचिंग लॉस से अधिक हो जाता है। साथ ही, भार बढ़ने के साथ-साथ पावर स्विच का तापमान भी बढ़ता है। चित्र 13 में जंक्शन तापमान के साथ ऑन-रेज़िस्टेंस की परिवर्तन दर के अनुसार, यह देखा जा सकता है कि सिलिकॉन कार्बाइड ट्रांजिस्टर का ऑन-रेज़िस्टेंस तापमान के साथ कम बढ़ता है। इसलिए, उच्च तापमान पर दोनों पावर स्विचों के बीच दक्षता का अंतर बहुत कम होता है, हालांकि 25 डिग्री सेल्सियस पर सिलिकॉन कार्बाइड ट्रांजिस्टर का ऑन-रेसिस्टेंस गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की तुलना में अधिक होता है।      
      चित्र 14: पीएफसी स्तर पर सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी, गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर की दक्षता वक्र
आगे, हम 3 किलोवाट आउटपुट पावर के लिए दो-चरण इंटरलीव्ड पैरेलल हाफ-ब्रिज एलएलसी सर्किट टोपोलॉजी में विभिन्न ऑपरेटिंग आवृत्तियों पर गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी की परिकलित दक्षता की तुलना करते हैं। गणना में आवृत्ति वृद्धि के कारण चुंबकीय घटकों (अनुनादी प्रेरकों और मुख्य पावर प्रेरकों सहित) में होने वाली बढ़ी हुई हानियों के प्रभाव को अनदेखा किया गया है। सर्किट टोपोलॉजी चित्र 15 में दर्शाई गई है। चयनित गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का मॉडल IGOT60R070D1 है (25°C पर अधिकतम RDS(on) 70 मोहम है), जिसकी कुल संख्या 8 है। चयनित सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी का मॉडल IMZA65R048M1H है (25°C पर अधिकतम RDS(on) 64 मोहम है), जिसकी कुल संख्या 8 है।      
      चित्र 15: दो-चरण वाले स्टैगर्ड पैरेलल एलएलसी सर्किट का योजनाबद्ध आरेख
50% लोड (1500W) और सामान्य तापमान वाले कार्य वातावरण में, विभिन्न परिचालन आवृत्तियों के तहत दक्षता की तुलना चित्र 16 में दर्शाई गई है। जब परिचालन आवृत्ति कम (<100kHz) होती है, तो समान ऑन-रेज़िस्टेंस वाले गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की दक्षता लगभग समान होती है, और दोनों ही बहुत उच्च दक्षता (>99.2%) प्राप्त कर सकते हैं। जब परिचालन आवृत्ति 300kHz तक बढ़ाई जाती है, तो अपने बहुत कम परजीवी मापदंडों के कारण, गैलियम नाइट्राइड में कुल हानियों में स्विचिंग हानियों का अनुपात कम होता है, इसलिए इसकी दक्षता में बहुत कम (0.08%) कमी आती है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की दक्षता में 0.58% (99.28%-98.7%) की कमी आती है। जब परिचालन आवृत्ति 500kHz तक बढ़ जाती है, तो दोनों के बीच दक्षता का अंतर बहुत बड़ा (1%) हो जाता है। बेशक, यदि किसी वास्तविक सर्किट के लिए, यह ध्यान में रखा जाए कि आवृत्ति में वृद्धि से चुंबकीय घटकों के नुकसान में तीव्र वृद्धि होगी, तो दोनों के बीच दक्षता का अंतर इतना बड़ा नहीं होगा, लेकिन दक्षता परिवर्तन की प्रवृत्ति समान होगी।      
      चित्र 16: विभिन्न परिचालन आवृत्तियों पर दो विद्युत उपकरणों की दक्षता की तुलना
             गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET के अनुप्रयोग संबंधी अनुशंसाएँ          

अध्याय 3 और 4 में हुई चर्चाओं के अनुसार, इन्फिनियन टेक्नोलॉजीज कंपनी लिमिटेड के गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी उत्पादों के आधार पर, इन दो वाइड बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों के लिए अनुप्रयोग संबंधी सिफारिशें इस प्रकार हैं:
(1) कुछ कारणों से, लागू प्रणाली को 200 किलोहर्ट्ज़ से अधिक आवृत्ति पर काम करना चाहिए। गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर पहली पसंद हैं, उसके बाद सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी आते हैं। यदि परिचालन आवृत्ति 200 किलोहर्ट्ज़ से कम है, तो दोनों का उपयोग किया जा सकता है;
(2) लागू प्रणाली को हल्के भार से आधे भार तक अत्यंत उच्च दक्षता की आवश्यकता होती है। गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर पहली पसंद हैं, उसके बाद सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी आते हैं;
(3) यदि लागू प्रणाली में उच्च अधिकतम परिचालन तापमान, ऊष्मा अपव्यय में कठिनाई, या पूर्ण भार पर अत्यंत उच्च दक्षता की आवश्यकता होती है, तो सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी पहली पसंद होते हैं, उसके बाद गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर आते हैं;
(4) लागू प्रणाली में बड़ा शोर हस्तक्षेप है, विशेष रूप से गेट ड्राइव हस्तक्षेप। सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी पहली पसंद है, और गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर दूसरी पसंद है;
(5) यदि लागू प्रणाली को बड़ी शॉर्ट-सर्किट क्षमता वाले पावर स्विच की आवश्यकता होती है, तो सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी पहली पसंद है;
(6) विशेष आवश्यकताओं के बिना अन्य अनुप्रयोग प्रणालियों के लिए, उत्पाद का चयन ऊष्मा अपव्यय विधि, शक्ति घनत्व और डिजाइनर की दोनों से परिचितता जैसे कारकों पर निर्भर करता है।      
             संक्षेप में प्रस्तुत करना          

यह लेख हाल के वर्षों में उभरे वाइड बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों, विशेष रूप से गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर और सिलिकॉन कार्बाइड MOSFETs की संरचना, विशेषताओं, प्रदर्शन अंतर और अनुप्रयोग सुझावों का विस्तृत परिचय प्रदान करता है। चूंकि वाइड बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों में कई ऐसे प्रदर्शन लाभ हैं जो सिलिकॉन सामग्री सेमीकंडक्टरों में नहीं पाए जाते, इसलिए उद्योग में इनका उपयोग तेजी से बढ़ रहा है।      
     

जैसे-जैसे उद्योग में इन दोनों के बारे में जागरूकता और अनुप्रयोग का अनुभव बढ़ेगा, इनका उपयोग तेजी से बढ़ेगा, जिससे इनकी कीमतें कम हो जाएंगी। इससे वाइड-बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों का व्यापक उपयोग होगा, जिससे एक सकारात्मक चक्र बनेगा। इसलिए, विद्युत इंजीनियरों के लिए अपने उत्पादों की प्रतिस्पर्धात्मकता बढ़ाने, उत्पादों की दृश्यता में सुधार करने और अपनी क्षमताओं को बढ़ाने के लिए वाइड-बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों में महारत हासिल करना और उनका उपयोग करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। मेरा मानना ​​है कि यह लेख विद्युत इंजीनियरों को वाइड-बैंडगैप पावर सेमीकंडक्टरों से परिचित होने और उनका उपयोग करने के लिए बहुत उपयोगी है।

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