ترانزستور كربيد السيليكون

يُحدث كربيد السيليكون ثورة في إلكترونيات الطاقة. فهو يحل ببطء محل ترانزستورات السيليكون التقليدية مع تقديم تحسينات كبيرة في الأداء.

نظرًا للخصائص الفيزيائية والإلكترونية للمواد، قد يجد المهندسون أنفسهم مترددين في اعتماد هذه التقنية. وللأسف، قد تمنعهم المفاهيم الخاطئة من تبنيها بشكل كامل.

ويوجد كربيد السيليكون بشكل طبيعي في شكل أحجار مويسانيت كريمة ويتم إنتاجه صناعياً. ويمكن تغيير كلا الشكلين ليتصرف مثل أشباه الموصلات عن طريق التطعيم بعناصر مثل الألومنيوم والبورون والغاليوم والنيتروجين.

1. جهد الانهيار العالي

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة إلكترونية توجد بشكل طبيعي بكميات دقيقة للغاية داخل الرواسب النيزكية والكوراندوم وصخور الكمبرلايت، في حين أن معظم كربيد السيليكون في الأجهزة الإلكترونية يأتي من مصادر اصطناعية. يوفر SiC بديلاً اقتصادياً لأشباه الموصلات السيليكونية التقليدية عند التعامل مع متطلبات التيار/الجهد المطلوبة في التطبيقات الصعبة مثل هذه.

لقد اكتسبت ترانزستورات SiC مكانة بين خبراء إلكترونيات الطاقة بسبب جهد الانهيار العالي المثير للإعجاب. وبفضل مجالها الكهربائي الحرج الأكبر بعشر مرات من السيليكون، تسمح SiC للأجهزة بالعمل بمقاومة طبقة انجراف منخفضة بشكل كبير لكل مساحة، مما يؤدي إلى جهد تحمل عالٍ بشكل مثير للإعجاب ومعدلات مقاومة منخفضة للغاية.

يمكن استخدام طوبولوجيات التبديل الصلب مثل تصحيح معامل القدرة الطوطمي للقطب الطوطمي والتعزيز المتزامن مع ترانزستورات IGBTs، بينما تؤدي مقاومات التشغيل العالية إلى توليد حرارة كبيرة وخسائر تبديل كبيرة مع ترانزستورات IGBTs والترانزستورات ثنائية القطب، مما يؤدي إلى توليد حرارة كبيرة وخسائر تبديل كبيرة.

تسمح فجوة النطاق العريضة ل SiC بطبقات أكسيد البوابة الأصغر، مما يؤدي إلى انخفاض العناصر الطفيلية وبالتالي انخفاض المقاومة عند التشغيل وتحسين الأداء - وهي ميزة مفيدة بشكل خاص في تطبيقات التحويل عالية السرعة حيث يجب دعم الترددات العالية دون توليد حرارة مفرطة.

يشتهر SiC بأدائه المتفوق في السرعات العالية، ولكن الموصلية الحرارية الخاصة به أفضل، حيث تزيد بأكثر من ثلاثة أضعاف عن السيليكون. وهذا يسمح للأجهزة المصنوعة من SiC بتبديد كميات كبيرة من الطاقة الزائدة حتى في درجات الحرارة المرتفعة دون الإضرار بالبنى الداخلية - وهو أمر لا تستطيع أجهزة السيليكون القيام به بفعالية، مما يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى وخفض الخسائر.

2. موصلية حرارية عالية

كربيد السيليكون، الذي يُشار إليه عادةً باسم المويسانيت في الطبيعة، هو مركب من السيليكون والكربون الموجود بشكل طبيعي كمعدن أسود مزرق له خصائص أشباه الموصلات. ونظرًا لأن الأجهزة الإلكترونية مثل الترانزستورات تولد حرارة أثناء تشغيلها، فإن المواد القادرة على تبديدها بسرعة هي مكونات أساسية.

تلعب الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون دورًا أساسيًا في تبديد الحرارة الناتجة. تسمح الموصلية الحرارية العالية لأجهزة أشباه الموصلات بالتبريد بشكل أسرع بمجرد إيقاف تشغيلها.

يمكن تفسير الموصلية الحرارية الفائقة لكربيد السيليكون من خلال كثافة عيوبه الشبكية الأعلى بكثير مقارنةً بأشباه الموصلات الأخرى مثل نيتريد الغاليوم. وهذا يسمح بخروج المزيد من الحرارة من سطح الرقاقة ومن ثم تبريدها بسهولة باستخدام الماء أو طرق التبريد بالهواء.

إن بنية كربيد السيليكون الكثيفة وانخفاض الإجهاد الشبكي يجعلها تتفوق على مواد أشباه الموصلات الأخرى مثل السيليكون من حيث الأداء - مما يقلل من تكوين الخلع.

وقد قام الباحثون الذين يدرسون كربيد السيليكون باستكشاف العوامل المختلفة التي تؤثر على توصيلها الحراري لفهم أفضل لسبب تمتع هذه المادة بهذه الموصلية الحرارية العالية، مثل محتوى الشبكة من الأكسجين/النيتروجين، والمسامية، وحجم الحبوب، والتحول الطوري، والتركيب الإضافي. من خلال تقييم هذه العناصر كل عنصر على حدة واكتشاف الروابط فيما بينها التي تفسر سبب تمتع جوانب محددة منها بتوصيلية حرارية عالية - وهي معرفة يمكن تطبيقها بعد ذلك نحو مزيد من التحسين.

3. سرعة تبديل عالية

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسمه الكيميائي SiC، هو مركب كيميائي يتكون من السيليكون والكربون الذي يمكن إنتاجه بكميات كبيرة. يوجد بشكل طبيعي كمعدن مويسانيت وله خصائص أشباه الموصلات وقد وجد استخدامه كمادة كاشطة ومادة خزفية ومادة خام في صناعات إنتاج المعادن.

توفر ترانزستورات كربيد السيليكون قدرات أكبر على حجب الجهد الكهربائي ومقاومة تشغيل أقل من ترانزستورات IGBTs السيليكونية التقليدية، مما يتيح سرعات تحويل أعلى من نظيراتها من السيليكون، وبالتالي يوفر للمهندسين المزيد من فرص تحسين النظام لإنشاء تصميمات أصغر وأخف وزنًا مع كفاءة تحويل طاقة أفضل - بما في ذلك تلك المستخدمة كمحولات جر للسيارات الكهربائية.

ومع ذلك، في حين أن أشباه موصلات الطاقة ذات فجوة النطاق العريض مثل SiC قد توفر العديد من المزايا، فإن هذه الأجهزة لها عيوب. وتتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في استخدام أشباه الموصلات هذه في عدم قدرتها على تحمل درجات الحرارة المرتفعة - وهذا يؤدي إلى مشكلات مثل زيادة تيار التسرب في التطبيقات في حالة عدم التشغيل وانخفاض الموثوقية.

لقد لجأ المهندسون إلى استخدام تقنيات متطورة تعمل بترددات تبديل أعلى، مما يوفر مزايا مثل انخفاض خسائر التوصيل والتبديل الأسرع وزيادة الكفاءة، مما يسمح لأنظمة الطاقة بالعمل بكفاءة أكبر، وتقليل أحجام المكونات السلبية لأنظمة تخزين الطاقة ودعم مجموعة من تطبيقات الاستخدام النهائي مثل محولات الجر في السيارات الكهربائية (EV) وحماية الدوائر الكهربائية ومصادر الطاقة المتجددة.

تتمتع تقنيات فجوة النطاق العريض مثل SiC بإمكانية استبدال السيليكون التقليدي في بعض التطبيقات، على الرغم من أن تردد التحويل المتزايد يمثل بعض التحديات الفريدة التي يجب مواجهتها من خلال طرق التصنيع المتقدمة وأدوات الاختبار الدقيقة. في منشور المدونة هذا، سنلقي نظرة على الاعتبارات الرئيسية عند اختيار أشباه موصلات الطاقة عالية السرعة بالإضافة إلى بعض أفضل الممارسات لاستخدامها بفعالية في التصميمات.

4. مقاومة منخفضة عند التشغيل

يُستخدم السيليكون على نطاق واسع في الإلكترونيات، ولكن عند تطبيقه على التطبيقات عالية الطاقة يبدأ في إظهار محدوديته. وبالمقارنة، فإن كربيد السيليكون يوفر فجوة نطاق أوسع بكثير ويعمل في درجات حرارة أعلى - مما يوفر المزيد من الطاقة والسرعة بالإضافة إلى تقليل متطلبات محرك الأقراص وتحسين تصميم الدوائر.

وهذا وثيق الصلة بشكل خاص بالتطبيقات عالية التردد مثل التبديل الناعم LLC أو TPPFC (تصحيح معامل القدرة في المرحلة الانتقالية). غالبًا ما يتم استخدام أجهزة حاملة الأقلية لتقليل مقاومة تشغيل IGBTs عند هذه الترددات؛ ومع ذلك، فإن فقدان التبديل الكبير وإنتاج الحرارة يحد من استخدامها عند الترددات العالية. وعلى العكس من ذلك، تتيح الأجهزة الحاملة للأغلبية (ثنائيات حاجز شوتكي و MOSFETs) داخل أشباه الموصلات SiC معدلات جهد أعلى مع انخفاض مقاومة التشغيل.

تتميز أشباه موصلات SiC بقوة انهيار عالية، مما يسمح بطبقات انجراف أرق وبالتالي تقليل المقاومة عند التشغيل مقارنة بنظيراتها المعدنية، مما يوفر ظروفًا مثالية لسرعات التحويل السريعة. عندما يقترن ذلك بأطوال بواباتها الأقصر، فإن هذا يجعل أشباه موصلات SiC MOSFETs مناسبة لسرعات التحويل السريعة.

كربيد السيليكون النقي هو عازل كهربائي بطبيعته؛ ومع ذلك، بإضافة الشوائب (المنشطات) أو عوامل التخدير إليه يمكن تحويله إلى شبه موصل إلكتروني. وينتج عن التخدير بالنيتروجين والفوسفور أشباه موصلات من النوع n، بينما يمكن أن يؤدي التخدير بالبريليوم أو البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم إلى إنتاج أشباه موصلات من النوع p.

أحدثت SiC MOSFETs تحولاً جذرياً في إلكترونيات الطاقة. وبفضل جهد الحجب الأعلى وأوقات التحويل الأسرع ومقاومة تشغيل أقل من نظيراتها من السيليكون، تقود SiC MOSFETs الطريق إلى الأجيال المستقبلية من الأجهزة الإلكترونية للطاقة.

5. تبديد منخفض للطاقة

لطالما كانت مكونات الطاقة القائمة على السيليكون مثل الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) والموصلات السيليكونية الفائقة مصادر طاقة موثوقة منذ فترة طويلة، ولكن عند تعرضها لدرجات حرارة أعلى أو ترددات تبديل تبدأ في إظهار محدوديتها. تقدم أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة، مثل أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة، مثل أشباه الموصلات ذات الفتحات الثنائية القطبين المعزولة مثل كربيد السيليكون MOSFETs، حلولاً متطورة للأداء قد تتغلب على هذه القيود.

يُستخدم كربيد السيليكون (SiC) منذ فترة طويلة كمادة كاشطة على عجلات الطحن والسيراميك، ولكن في الآونة الأخيرة، يشهد كربيد السيليكون أيضًا اعتمادًا واسع النطاق ليحل محل أجهزة الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون في تطبيقات الإلكترونيات عالية الطاقة. ويُعزى هذا التحول الملحوظ إلى الخصائص الفيزيائية والإلكترونية الاستثنائية التي تتمتع بها SiC؛ فهي سبيكة مكونة من السيليكون والكربون.

كما هو شائع في أشباه الموصلات المركبة، يُظهر SiC تعدد البنى البلورية مع هياكل بلورية مختلفة تتشكل اعتمادًا على كيفية اختلاف تركيبها الكيميائي في بُعد واحد. ويُفضل استخدام النوع المتعدد 4H-SiC على نطاق واسع لتطبيقات الطاقة بسبب بنيته الذرية السداسية المتقاربة المعبأة التي تسهل أوقات التبديل السريع وقدرات الجهد العالي للحجب.

وتختلف أجهزة السيليكون وأجهزة SiC في الأداء إلى حد كبير بسبب عرض فجوة النطاق، وهي كمية الطاقة اللازمة للتحول من حالة العزل إلى حالة التوصيل. تسمح فجوة النطاق الأوسع بنقل المزيد من الطاقة الكهربائية بسرعة وكفاءة أكبر - وهي ميزة مفيدة بشكل خاص في التطبيقات عالية الطاقة مثل محولات الجر في السيارات الكهربائية.

كما أن المقاومة الحرارية المنخفضة للسيليكون SiC مقارنةً بأجهزة السيليكون التقليدية هي ميزة رئيسية أخرى، مما يتيح مكونات حثية وسعوية أصغر وبالتالي خفض إجمالي خسائر النظام (بما في ذلك خسائر التوصيل وخسائر طاقة التحويل). في العاكس نصف الجسر، قد يؤدي ذلك إلى زيادة الكفاءة وكذلك انخفاض تكلفة النظام.