ترانزیستور GaN

ترانزیستور گالیوم نیترید (GaN) یک دستگاه نیمه‌رسانا با تحرک الکترونی بالا (HEMT) است که از سه قسمت: گیت، منبع و تخلیه تشکیل شده است. تحرک الکترونی بالا به این معنی است که ترانزیستور GaN دارای قدرت میدان الکتریکی بالاتری در مقایسه با ترانزیستورهای سیلیکونی است. ترانزیستور GaN مزایای مهمی دارد که از جمله آن می‌توان به مقاومت پایین در حالت روشن، تلفات رسانایی و سوئیچینگ کمتر، سوئیچ‌کردن با فرکانس بالا، راندمان بالا، ضریب فرم کوچک، چگالی توان بالاتر و تحمل دمای بالا اشاره کرد.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش الکترونیک

ترانزیستورهای GaN برای استفاده در موارد زیر ایده‌آل هستند:

• منبع تغذیه
• مبدل‌های چندسطحی
• اینورترهای خورشیدی
• درایوهای موتور صنعتی
• UPS
• شارژرهای باتری ولتاژ بالا
• مخابرات
• SMPS
• LLC با فرکانس بالا
• برنامه‌های برق سازمانی و شبکه

GaN ترکیبی از گالیم (عدد اتمی 31) و نیتروژن (عدد اتمی 7) است. گالیم به شکل عنصری در طبیعت وجود ندارد؛ بلکه به‌صورت ترکیبات گالیم (III) در مقادیر کمی در سنگ معدن روی و بوکسیت یافت می‌شود.

ساختار اتمی کریستال GaN به شکل زیر است:

ساختار اتمی کریستال GaN به شکل بلوری شش‌ضلعی است که با داشتن نقطه ذوب 1700 ̊C یا F ̊ 4532 بسیار قوی و پایدار است. این بدان معنی است که ترانزیستور GaN می‌تواند در دماهای بسیار بالاتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی کار کند. همچنین، این ترانزیستور در مقایسه با ترانزیستورهای سیلیکونی دارای فاصله باند بیش‌تری است. Bandgap انرژی موردنیاز برای آزادکردن یک الکترون از مدار خود است. در دمای اتاق، GaN در آب، مواد اسیدی و قلیایی نامحلول است. به‌علاوه، GaN دارای تحرک الکترونی بالایی به میزان 2000 سانتی‌متر مربع بر ولت. ثانیه است که این ویژگی باعث می‌شود این ترانزیستور برای کاربردهایی با فرکانس بالا (در محدوده 1 THz) مناسب باشد.

رقم شایستگی (figure of merit) معیاری نسبی از توانایی ذاتی است که مستقل از فرکانس و قابلیت کنترل قدرت ماده اولیه است. رسانایی حرارتی GaN کمی کمتر از سیلیکون است؛ اما به دلیل داشتن راندمان بالاتر، ترانزیستور GaN در ولتاژ بالا می‌تواند بهتر از ترانزیستورهای سیلیکونی عمل کند.

در جدول زیر تفاوت‌های بین ترانزیستورهای GaN و سیلیکونی آمده است:

ترانزیستورهای GaN نسبت به سایر فناوری‌های نیمه‌رسانا، مزیت‌های بسیار زیادی دارند که از جمله آن می‌توان به هزینه‌های کمتر انرژی اشاره کرد. به‌طورکلی ترانزیستور GaN کارآمدتر از نوع سیلیکونی است؛ چرا که در GaN انرژی کمتری به‌عنوان گرما تلف می‌شود. در نتیجه، هزینه‌های خنک‌کننده نیز کاهش می‌یابد. همچنین، سیستم‌های خنک‌کننده مانند هیت‌سینک، فن‌ها و غیره نیز کوچک‌تر و کمتر می‌شوند.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش AVR از مقدماتی تا پیشرفته 100% رایگان

همچنین، GaN دارای چگالی توان بسیار بالایی است که این عامل باعث کاهش اندازه سیستم می‌شود. به‌علاوه، این ترانزیستور فرکانس سوئیچ‌کردن بالاتری دارد که به معنای تلفات کمتر در سوئیچینگ و کاهش قطعات القایی و خازنی موردنیاز برای مدار قدرت می‌باشد. در نهایت، این موضوع باعث می‌شود که اندازه سیستم کوچک‌تر و وزن آن کمتر شود. همچنین، باعث تداخل و نویز کمتر، تعداد فیلترهای کمتر و آزادی فضایی بیش‌تر در فرایند طراحی می‌شود.

همان‌طور که اشاره شد، ترانزیستورهای GaN دارای مزایای زیادی نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی هستند. بااین‌وجود، این ترانزیستورها معایبی نیز دارند. یکی از این معایب هزینه ساخت گران‌تر ترانزیستورهای نیمه‌رسانای GaN نسبت به ترانزیستورهای نیمه‌رسانای سیلیکونی است. بااین‌حال، در ترانزیستورهای GaN هزینه‌های کمکی و کلی سیستم تا حد زیادی کاهش می‌یابد؛ بنابراین می‌تواند قیمت ساخت گران‌تر GaN را جبران کرد.

به دلیل فرایند پیچیده ساخت GaN، چگالی آن بسیار زیاد است. (cm2 1010~ 108)، البته اقداماتی در جهت کاهش این مقدار انجام شده است. به‌طورکلی شکل‌دادن به GaN با مواد ذوب شده غیرممکن است؛ زیرا فرایند توسعه کریستال GaN در مقایسه با سیلیکون پیچیده‌تر است.

به‌علاوه، گسترش تولید و فروش انبوه GaN به سه دلیل دشوار است؛ این دلایل عبارت‌اند از: هزینه زیاد، اندازه کوچک ترانزیستورها و همچنین، هزینه سرمایه‌گذاری بالا برای راه‌اندازی Fab های خاص GaN. این عوامل قیمت فروش این محصول را بالا می‌برند و مانع گسترش آن در صنعت و در نتیجه، مانع تولید بیش‌تر آن می‌شوند. یکی دیگر از معایب اصلی ترانزیستور GaN، مشکل داشتن در ایجاد اتصال اهمی است. GaN یک نیمه‌رسانایی است که دارای شکاف باند (band gap) زیادی است است. به‌طورکلی ایجاد اتصال اهمی در یک فلز نیمه‌رسانا کار دشواری است و این مسئله یک مشکل بزرگ در ساخت دستگاه‌های GaN به‌حساب می‌آید.

 انواع ترانزیستور GaN

ترانزیستورهای GaN به دو نوع طبقه‌بندی می‌شوند:

• ترانزیستور GaN حالت بهبود (e-GaN)

در این حالت، ترانزیستور GaN معادل کلید Normally Open (معمولاً خاموش) است. این بدان معناست که وقتی هیچ ولتاژی در ترمینال گیت اعمال نمی‌شود، ترانزیستور GaN نیز کاری انجام نمی‌دهد. اما با اعمال ولتاژ، منبع گیت ترانزیستور GaN روشن می‌شود.

• ترانزیستور GaN حالت تخلیه (d-GaN)

در این حالت، ترانزیستور GaN معادل کلید “Normally closed” (معمولاً روشن) است. در این نوع، ترانزیستور در حالت ON و دارای ولتاژ منبع گیت صفر است. با اعمال ولتاژ منفی نسبت به الکترودهای تخلیه و منبع، ترانزیستور GaN خاموش می‌شود.

مشخصات اصلی ترانزیستور GaN

• پیکربندی ترانزیستور GaN: ترانزیستورهای GaN دارای پیکربندی‌های مختلفی از جمله تکی، دوتایی و… هستند.
• ولتاژ آستانه گیت: حداقل ولتاژی را نشان می‌دهد که بین گیت و ترمینال منبع اعمال می‌شود تا ترانزیستور GaN روشن شود. ولتاژ آستانه گیت بر حسب ولت (V) بیان می‌شود.
• ولتاژ منبع تخلیه: نشان‌دهنده حداکثر ولتاژی است که می‌تواند در پایانه‌های تخلیه و منبع اعمال شود و باعث می‌شود GaN وارد حالت خاموش شود. ولتاژ منبع تخلیه نیز بر حسب ولت (V) بیان می‌شود.
• مقاومت منبع تخلیه: نشان‌دهنده مقاومت منبع تخلیه در حالت on می‌باشد و معمولاً در محدوده میلی اهم اندازه‌گیری می‌شود.
• جریان تخلیه پیوسته: نشان‌دهنده حداکثر جریان تخلیه پیوسته‌ای است که ترانزیستور GaN می‌تواند تحمل کند و بر حسب آمپر (A) بیان می‌شود.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش رزبری پای از صفر تا صد + پروژه عملی

• جریان تخلیه پالسی: نشان‌دهنده حداکثر جریان تخلیه پالسی است که ترانزیستور GaN می‌تواند تحمل کند و بر حسب آمپر (A) بیان می‌شود.
• شارژ کل: نشان‌دهنده کل شارژی است که در ترمینال گیت انباشته شده است. شارژ گیت برای تغییر ترانزیستور GaN از حالت روشن به خاموش و بالعکس استفاده می‌شود.
• زمان تأخیر در روشن‌شدن: مدت‌زمان لازم برای شارژ ظرفیت ورودی ترانزیستور GaN قبل از شروع رسانش جریان تخلیه است.
• زمان تأخیر در خاموش‌شدن: بازه زمانی است که در آن ولتاژ در سرتاسر گیت و ترمینال منبع به کمتر از 90 درصد می‌رسد. این بازه زمانی وقتی اتفاق می‌افتد که جریان تخلیه از جریان بار پایین‌تر می‌آید.
• زمان افزایش: مدت زمانی که طول می‌کشد تا جریان تخلیه از 10 درصد مقدار اولیه به 90 درصد مقدار نهایی برسد.
• زمان کاهش: مدت زمانی که طول می‌کشد تا جریان تخلیه از حداکثر مقدار خود یعنی 90 درصد به 10 درصد مقدار اولیه برسد.

منبع: everythingPE