مزايا الصمام الثنائي كربيد السيليكون الكربوني

أصبحت دايودات كربيد السيليكون شائعة بشكل متزايد عبر مجموعة من تصميمات الدوائر الكهربائية نظرًا لمستويات أدائها الأعلى وعامل الشكل الأصغر من أجهزة السيليكون.

تأتي صمامات WeEn's SiC Schottky Barrier Diodes في حزم مختلفة تتراوح بين الأنماط التي تحتوي على رصاص ومثبتة بمسامير إلى أجهزة SMD المثبتة على السطح وتخضع لاختبارات تحمل مكثفة لضمان جودتها وموثوقيتها العالية.

كثافة تيار عالي الكثافة

يبرز كربيد السيليكون (SiC) كأحد أشباه الموصلات الرائعة بسبب فجوة النطاق الواسعة، مما يجعل من الممكن لأجهزة إلكترونيات الطاقة أن تعمل في درجات حرارة وفولتية وترددات أعلى من نظيراتها القائمة على السيليكون والتي لديها فجوات نطاق أقل تحد من الأداء. هذه الميزة تميز SiC عن أجهزة السيليكون التقليدية التي تحد من الأداء بسبب فجوة النطاق المحدودة.

تسمح ثنائيات فجوة النطاق العريضة للإلكترونات بالتحرك بسرعة أكبر عبر ثنائيات SiC، مما يؤدي إلى زيادة كثافة التيار وزيادة كفاءة الأجهزة مثل إمدادات الطاقة. هذه الميزة مهمة بشكل خاص في تطبيقات التحويل عالية السرعة مثل تبديل إمدادات الطاقة.

توفر ثنائيات SiC Schottky ثنائيات شوتكي جهد انهيار عكسي أعلى بكثير من نظيراتها من السيليكون؛ وغالباً ما يتجاوز 1 كيلو فولت. ويتيح ذلك استخدامها في الدوائر التي قد تتلف فيها ثنائيات شوتكي السيليكون التقليدية المكونات، مما يمنح الصمام الثنائي تنوعًا كبيرًا.

توفر ثنائيات SiC تيار تسرب متفوق على ثنائيات السيليكون التقليدية من السيليكون، مما يزيد من تنوعها. بالإضافة إلى ذلك، فإن الموصلية الحرارية الفائقة ل SiC - ما يقرب من ثلاثة أضعاف السيليكون - تمكنها من تبديد المزيد من الحرارة دون المخاطرة بالهروب الحراري.

لقد أثبتت ثنائيات SiC أنها حلول متعددة الاستخدامات، ويمكن تطبيقها في العديد من المجالات من الفضاء إلى السيارات والمعدات الصناعية. حتى أن صماماتنا الثنائية SiC MPS بجهد 650 فولت تم اعتمادها للبعثات الفضائية مثل بعثة وكالة الفضاء الأوروبية (ESA-JUICE).

بغض النظر عن تكوينها - فردي أو مزدوج أو جسر - يمكن لصمامات WeEn ثنائيات شوتكي SiC ثنائية الجهد العالي من WeEn التعامل مع جهد يصل إلى 1700 فولت في التطبيقات الفردية أو المزدوجة أو الجسرية - مما يجعلها مناسبة لإمدادات الطاقة وتطبيقات التحويل الأخرى عالية السرعة مثل لوحات المفاتيح المحكم الإغلاق وإمدادات الطاقة. وهي تأتي في حزم محكمة الإغلاق لتلبية متطلبات التطبيقات دون التعرض لخطر الهرب الحراري مع تحمل درجات حرارة أعلى من حلول السيليكون القياسية.

جهد الانهيار العالي

يتميز كربيد السيليكون بمجال كهربائي عالي الانهيار بشكل استثنائي مقارنةً بالسيليكون، مما يجعل تصنيع الثنائيات ذات الجهد العكسي الأقصى الأعلى بكثير ممكنًا. وهذا يسمح باستخدام ثنائيات SiC Schottky في تصميمات الدوائر المتعلقة بإمداد الطاقة التي لن تكون ممكنة باستخدام ثنائيات السيليكون التقليدية.

تتميز ثنائيات شوتكي السيليكون التقليدية عادةً بجهد عكسي أقصى يبلغ حوالي 200 فولت، وبالمقارنة، توفر ثنائيات شوتكي كربيد السيليكون ما يصل إلى 1.2 كيلو فولت أو حتى 1.6 كيلو فولت في بعض الحالات، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في مجموعة متنوعة من التطبيقات وتصميمات الطاقة. وهذا يجعل استخدامها مفيداً للغاية.

كما تتميز ثنائيات كربيد السيليكون شوتكي أيضًا بمقاومة أقل في الحالة من نظيراتها من السيليكون، مما يسمح لها بتمرير تيار أكبر مع أحجام وصلات أصغر وتوفير مساحة داخل التصميمات - وهو ما يفيد بشكل خاص في محولات الطاقة الإلكترونية أو الأجهزة الإلكترونية عالية السرعة التي تتطلب أداءً متزايدًا ولكنها تتطلب عوامل شكل أصغر.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى حقيقة أن ثنائيات كربيد السيليكون تعمل بترددات أعلى بكثير من نظيراتها من السيليكون، مما يتيح استخدام تصميمات دوائر إلكترونية أكثر كفاءة. ويسمح هذا بدوره بتحقيق مستويات كفاءة أعلى في أي تصميم معين، مع السماح في الوقت نفسه باستخدام أجهزة أصغر حجمًا يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة مثل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الكهربائية للمركبات وكاشفات الترددات اللاسلكية ودوائر المقومات الصناعية. ومع ذلك، يتطلب تحقيق أقصى قدر من الأداء مع الصمام الثنائي كربيد السيليكون إدارة صارمة للإنتاج وتدابير مراقبة الجودة. وهذا أمر مهم حتى لا تتلف الأجهزة بسبب عوامل مثل تلف القطبين.

انخفاض الجهد الأمامي المنخفض

أصبحت ثنائيات شوتكي كربيد السيليكون (SiC) خيارًا شائعًا بشكل متزايد في تصميمات الدوائر الإلكترونية نظرًا لسرعات التحويل السريعة وخسائر الطاقة المنخفضة والأحجام الأصغر مقارنةً بنظيراتها من السيليكون. ويساعد ذلك على تحسين مستويات الكفاءة مع تقليل وزن إمدادات الطاقة وأنظمة الطاقة غير المنقطعة ودوائر محركات المحركات الصناعية ودوائر طاقة المركبات الكهربائية.

تتكون ثنائيات SiC Schottky Diodes من مكونين، مصنوعين عادةً من ملامسات معدنية من البلاتين أو التيتانيوم موضوعة فوق طبقة من مادة أشباه الموصلات من النوع n من أشباه الموصلات SiC ويفصل بينهما موصل كهربائي مثل الأسلاك النحاسية، مما يخلق حاجز Schottky الذي يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط من خلاله. يتم تحديد انخفاض الجهد عن طريق فرق جبري بين إمكانات الأنود والكاثود عند درجات حرارة تشغيل مختلفة.

وتختلف أشباه موصلات SiC عن ثنائيات السيليكون القياسية من حيث أن لديها موصلات حرارية أعلى بكثير، مما يعني أنها تبدد حرارة أكثر لكل وحدة مساحة وبالتالي تقلل بشكل كبير من المقاومة وفقدان الحرارة التي تؤثر على انخفاض الجهد الأمامي. كما يمكن لثنائيات شوتكي SiC أن تتحمل درجات حرارة أكبر من نظيراتها من السيليكون وقد توفر الحماية من الأحداث الحرارية العابرة بالإضافة إلى أنماط الفشل المحتملة المعروفة باسم الهروب الحراري.

إن إدارة الإنتاج الموثوق بها وممارسات مراقبة الجودة هي المفتاح للحفاظ على استقرار أداء الصمام الثنائي SiC، بما في ذلك اختبارات التحمل الصارمة في ظل ظروف التدوير الحالية القاسية ومعلمات 100% الثابتة واختبارات معالجة التيار الزائد. ويضمن ذلك أن أي صمام ثنائي SiC مستخدم سيعمل كما هو متوقع في أي تطبيق يتم استخدامه فيه حتى في ظل ظروف التشغيل القاسية.

وقت التعافي السريع

تتميز صمامات شوتكي الثنائية من كربيد السيليكون بوقت استرداد سريع للغاية، مما يمكنها من التشغيل والإيقاف بسرعات عالية، مع الحد الأدنى من السعة عند الانحياز العكسي - وهي صفات تساهم في تحسين كفاءة أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية.

تهدف أجهزة أشباه موصلات الطاقة ذات فجوة النطاق العريض هذه إلى استبدال ثنائيات السيليكون التقليدية في تطبيقات مثل الخوادم عالية الكفاءة وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) ومحولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومحركات المحركات. وتشمل فوائدها الرئيسية انخفاض فقدان الطاقة ونطاق تشغيل ممتد في درجات الحرارة.

توفر مادة كربيد السيليكون ذات فجوة النطاق العريضة انهيارًا أعلى للجهد وسرعات تبديل أسرع، وهي مكونات مهمة للتعامل مع التيار الكبير في درجات حرارة مختلفة.

وتختلف ثنائيات SiC Schottky عن ثنائيات السيليكون التقليدية في أنها تستخدم وصلة معدنية شبه موصلة بدلاً من الوصلة PN الأكثر شيوعاً، وعند تنشيطها بواسطة نبضة كهربائية يمكن أن تسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد؛ ولكن عند إيقاف تشغيل هذا التيار يستغرق بعض الوقت حتى يعود تدفق التيار العكسي إلى أسفل - وتعرف هذه الفترة بزمن الاسترداد العكسي.

توفر ثنائيات SiC مزايا كبيرة مقارنةً بالثنائيات ذات الحجم المماثل من الأنواع المماثلة لأن وقت استرجاعها العكسي أسرع بكثير، مما يتيح لها التشغيل والإيقاف عند ترددات أعلى مع استخدام مكونات مغناطيسية وسلبية أصغر في التصميمات النهائية.

باستخدام COMSOL Multiphysics، أُجريت عمليات المحاكاة الإلكترونية للطاقة هذه لمقارنة أوقات الاسترداد الأمامية لصمامات شوتكي الثنائية SiC مع تلك المصنوعة من السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge). في حين كانت أوقات الاسترداد متقاربة، كان الأداء العام للصمام الثنائي SiC متفوقاً.

مقاومة درجات الحرارة العالية

إن فجوة النطاق العريضة لكربيد السيليكون تجعله مناسبًا للاستخدام في الأجهزة التي يجب أن تعمل في درجات حرارة أعلى، بما في ذلك محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتصميمات دوائر إمداد الطاقة العامة. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضًا استخدام الصمام الثنائي شوتكي من كربيد السيليكون في أجهزة شحن السيارات الكهربائية التي تستخدم مستويات طاقة عالية في بيئات ذات درجات حرارة عالية.

يمكن تخدير مادة كربيد السيليكون من النوع n بالنيتروجين أو الفوسفور والنوع p بالألمنيوم أو البورون أو الغاليوم لإنشاء أشباه موصلات ذات خصائص كهربائية مختلفة وتقليل خسائر المقاومة لتحسين الأداء الحراري للأجهزة.

سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة على الثنائيات إلى ارتفاع مقاومتها بشكل متناسب وتبديد الطاقة من خلال تبديد الحرارة، وبالتالي زيادة فقدان الطاقة للجهاز بشكل عام. لذلك، فإن الحفاظ على برودة الثنائيات سيساعد على تقليل هذا الفقد الكلي للطاقة.

يبرز كربيد السيليكون كميزة واضحة مقارنة بأشباه الموصلات التقليدية عندما يتعلق الأمر بالتعامل مع درجات حرارة تشغيل أعلى دون التعرض لخطر الهرب الحراري. وتجعل هذه الميزة كربيد السيليكون خياراً جذاباً للمصنعين الذين يصنعون أجهزة موفرة للطاقة مثل المحولات والشواحن حيث يكون التحكم في درجة الحرارة أمراً بالغ الأهمية.

تم استخدام كربيد السيليكون (SiC) لأول مرة على نطاق واسع تجارياً في التطبيقات الإلكترونية في عام 1906 عندما استخدم ككاشف في أجهزة الراديو البلورية. ومنذ ذلك الحين أصبح يُصنع صناعيًا بينما يوجد بشكل طبيعي في جواهر المويسانيت وكذلك في النيازك ورواسب الكوراندوم ورواسب الكمبرلايت.

تُعد SiC خيارًا مثاليًا للمواد للتطبيقات الإلكترونية نظرًا لمزيجها من انخفاض الجهد الأمامي المنخفض، ووقت الاسترداد السريع، والجهد العالي للانهيار. يعني فقدان الطاقة المنخفض أجهزة أصغر حجمًا يسهل دمجها في التصاميم الحالية؛ وبالإضافة إلى كثافة التيار العالية وخصائص التوصيل الحراري التي تتميز بها، فإنها تشكل بديلاً ممتازًا للأجهزة القائمة على السيليكون للتطبيقات عالية الأداء.