صمام ثنائي شوتكي من كربيد السيليكون الكربوني

تقدم ثنائيات كربيد السيليكون الشوتكي بديلاً لأجهزة السيليكون التقليدية، حيث تتميز بانخفاض الجهد الأمامي المنخفض وقدرة أكبر على تحمل درجات حرارة التشغيل، بالإضافة إلى أنها تتميز بجهد عكسي عالٍ للانهيار وتوفر قدرة تيار عكسي أعلى من نماذج السيليكون العادية.

يمكن استخدام الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض في تطبيقات التبديل الصلب مثل محطات شحن السيارات الكهربائية (EV) وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) ومحركات المحركات؛ بالإضافة إلى أنها تقلل من مستويات ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي والتلوث الضوضائي.

سرعة التحويل السريع

ثنائيات كربيد السيليكون شوتكي هي أجهزة تبديل سريع أصبحت مكونًا مستخدمًا على نطاق واسع في تصميمات الدوائر الإلكترونية. توفر هذه الثنائيات سرعات تبديل أعلى وموصلية حرارية فائقة مقارنةً بنظيراتها القائمة على السيليكون، كما تتميز هذه الثنائيات بانخفاض الجهد الأمامي ومستويات ثبات تيار أفضل وقدرات تحمل الجهد الزائد التي تتجاوز تلك التي توفرها نظيراتها من السيليكون.

كما تتميز ثنائيات شوتكي كربيد السيليكون أيضًا بجهد انهيار عكسي أعلى بكثير من نظيراتها من السيليكون، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في أنظمة الطاقة ذات مستويات جهد عكسي محتملة تصل إلى عدة آلاف فولت أو أكثر. وهذا يسمح للمصممين بتجنب تدابير الحماية الإضافية مثل دوائر التقطيع.

لا تتحمل ثنائيات شوتكي أحادية القطب السيليكونية عادةً سوى ما يصل إلى 200 فولت فقط من جهد الانهيار العكسي؛ ومع ذلك، يمكن لثنائيات شوتكي كربيد السيليكون أن تتحمل جهدًا يصل إلى 1.2 كيلو فولت وأعلى اعتمادًا على نوع الصمام الثنائي - مما يوفر قدرات أكبر بكثير على جهد الانهيار العكسي الذي يجعلها أكثر تنوعًا من إصدارات السيليكون في العديد من التطبيقات التي لا تكفي فيها إصدارات السيليكون.

تتميز ثنائيات كربيد السيليكون شوتكي بسرعات تبديل أسرع تتيح تقليل حجم المكونات بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض أسعار المكونات وزيادة الكفاءة وآثار أقدام أصغر لتصميمات الدوائر الإلكترونية. وعلاوة على ذلك، تجعل هذه الثنائيات التشغيل بسرعة أعلى أبسط لتصميمات الإلكترونيات عالية التردد الأكثر تعقيدًا.

كشفت شركة Galaxy Microelectronics مؤخرًا عن خط من ثنائيات حاجز شوتكي المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) بجهد 650 فولت و1200 فولت المصممة خصيصًا لتلبية احتياجات مصممي دوائر تحويل الطاقة لأنظمة الخلايا الشمسية الكهروضوئية وأنظمة طاقة المركبات الكهربائية وكاشفات الترددات اللاسلكية وكاشفات الترددات اللاسلكية. تتميز هذه الأجهزة بخسارة توصيل منخفضة مع قدرات استرداد عكسي صفرية مستقلة عن درجة الحرارة بالإضافة إلى قيم معامل درجة الحرارة الإيجابية (TJC)؛ بالإضافة إلى أنها تمتلك أداءً قويًا في الانهيار الجليدي مما يحد من أجهزة أو دوائر الحماية الإضافية التي يحتاجها مهندسو التصميم.

انخفاض الجهد الأمامي المنخفض

الثنائيات الشوتكي المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) هي أجهزة شبه موصلة أحادية القطب ذات سرعات تبديل أسرع وانخفاضات جهد أمامي أقل من نظيراتها من السيليكون، مما يجعلها مناسبة لأشباه موصلات الطاقة التي تعمل في درجات حرارة عالية. ومع ذلك، يجب مراعاة بعض القيود عند تصميم الدارات؛ على سبيل المثال ضمان أن يكون وقت الاسترداد العكسي قصير لتقليل فقد الطاقة.

وتسمح أزمنة الاسترداد العكسي القصيرة للأجهزة بالتبديل بسرعة بين الحالة الموصلة وغير الموصلة، وتساعد أيضًا في تقليل ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي والتيارات الطفيلية التي قد تتلف الثنائيات وجسور الثايرستور. علاوة على ذلك، تتيح أزمنة الاسترداد القصيرة فترات استرداد أطول لنقطة الانعكاس (POR) للصمامات الثنائية وجسور الثايرستور.

يمكن أن يعزى انخفاض الجهد الأمامي المنخفض لثنائيات SiC Schottky إلى منطقة النضوب الضيقة. وتجعل هذه الميزة الصمام الثنائي أقل سعة من ثنائيات الوصلة P-N، مما يجعلها ضرورية لتطبيقات التحويل عالية السرعة وتساعد على منع ضوضاء الرنين أو الضوضاء السعوية التي تدخل مسارات الإشارة.

توفر ثنائيات SiC Schottky ثنائيات SiC مقاومة منخفضة في الحالة واستردادًا مستقلًا لدرجة الحرارة عند درجة حرارة صفر عكسيًا - وهما خاصيتان تجعلانها خيارًا ممتازًا لتطبيقات التحويل عالية السرعة مثل محولات تعزيز باك. كشفت شركة جالاكسي للإلكترونيات الدقيقة مؤخرًا عن دايودات شوتكي من كربيد السيليكون بجهد 650 فولت و1200 فولت والتي تعد إضافة ممتازة لتصميمات أنظمة تحويل الطاقة.

تنجم تيارات التسرب في ثنائيات شوتكي SiC عن عيوب في الواجهة البينية بين المعدن وأشباه الموصلات، ولكن يمكن تخفيفها بطبقات انجراف أكثر سمكًا - ولكن هذا يزيد من المقاومة الأومية والحرارية للجهاز. وقد طورت Nexperia هيكل جهاز هجين لمعالجة هذه المشكلة من خلال الجمع بين ثنائيات Schottky وP-N معًا في حزمة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من تيار التسرب ويحسن الموثوقية في درجات الحرارة العالية. يتميز هذا التصميم بانخفاض كبير في تيار التسرب مع تحسين الموثوقية في درجات الحرارة العالية.

جهد الانهيار العالي

تتميز ثنائيات كربيد السيليكون شوتكي بجهد انهيار عالٍ يجعلها مناسبة للاستخدام في أجهزة الطاقة مثل محركات المحركات ومحركات الصمام الثنائي الباعث للضوء LED، والتي تعمل بترددات عالية تتطلب جهد انهيار أعلى من ثنائيات السيليكون التقليدية. علاوة على ذلك، تساعد فجوة النطاق العريضة في SiC على زيادة الكفاءة والسرعة. وعلاوة على ذلك، فإن نقطة انصهارها العالية تجعل هذه المادة مناسبة للاستخدام في مجموعة متنوعة من البيئات.

توفر صمامات شوتكي ثنائيات كربيد السيليكون - شوتكي فجوة نطاق واسعة ومقاومة منخفضة جدًا في الحالة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات التحويل السريع. ويعتمد تشغيلها على ترسيب ملامسات معدنية على مادة أشباه الموصلات لزيادة تدفق الإلكترونات عبر وصلتها؛ وعلى عكس الثنائيات الثنائية العادية PN التي تسمح بمرور كل من الإلكترونات والثقوب في آن واحد، يسمح هذا الترتيب بمرور الإلكترونات فقط، مما يزيد من سرعة التبديل بشكل كبير. وعلاوة على ذلك، فهي تتميز بجهد تشغيل منخفض لسهولة التشغيل/إيقاف التشغيل.

ويستفيد هذا التصميم أيضًا من طبقة الركيزة الأقل سمكًا، مما يخلق مسارًا حراريًا محسنًا بين الوصلة وإطار أو علبة الرصاص في العبوة، مما يقلل من المقاومة الحرارية. يمكن أن يساعد هذا الانخفاض في خفض تبديد الطاقة بالإضافة إلى تحسين موثوقية الجهاز من خلال كونه أقل عرضة للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD) وأحداث الجهد الزائد التي قد تتلفه.

تبرز ثنائيات شوتكي كربيد السيليكون بسبب قوة مجالها الكهربائي المتفوقة في الانهيار، والتي تمكنها من التعامل مع الفولتية الأعلى من ثنائيات السيليكون التقليدية. وعلاوة على ذلك، يمكن تصنيعها بطبقات انجراف أرق وأكبر لوقت استجابة أسرع؛ بالإضافة إلى أن توصيلها الحراري الفائق يمكّنها من إدارة مستويات تيار اندفاع أعلى من ثنائيات السيليكون التقليدية.

تيار تسرب منخفض

توفر ثنائيات SiC Schottky ثنائيات شوتكي مستويات تيار تسرب منخفضة، مما يجعلها الخيار الأمثل لدوائر مقومات الطاقة في العديد من التطبيقات. تتيح درجة حرارة التشغيل المرتفعة وسرعة التحويل الأسرع تطبيقات ذات تردد أعلى مع مستويات منخفضة من التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي - وهي مثالية لإمدادات الطاقة أو محركات المحركات التي تحتاج إلى مقومات موثوقة.

توفر ثنائيات SiC كثافات تيار عالية تسمح لها بحمل تيار أكبر مع أحجام وصلات أصغر، مما يؤدي إلى تقليل المقاومة الكلية وخسائر تبديد الحرارة وخسائر أقل في الطاقة مما يحسن كفاءة الطاقة مع زيادة الموثوقية.

تُعد ثنائيات SiC Schottky ثنائيات مثالية للتطبيقات التي تكون فيها الكفاءة ذات أهمية قصوى، بما في ذلك محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وشواحن السيارات الكهربائية. كما أن تصميمها MPS يجعل التبديل بين تكوينات المقوم كامل الجسر ونصف الجسر في تصميمات إمدادات الطاقة أسهل - مما يقلل من التعقيد مع زيادة طاقة الخرج في نفس الوقت.

توفر ثنائيات SiC قدرات تيار متزايد أكبر من نظيراتها من السيليكون، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لوظائف تصحيح معامل القدرة (PFC) الموجودة في وحدات الإمداد بالطاقة ومحولات الطاقة الشمسية. ويمنح تصميمها MPS مهندسي التصميم حرية أكبر عند تحسين أنظمة محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وشواحن السيارات الكهربائية مع الحاجة إلى أحواض حرارية ومرشحات أصغر؛ علاوة على ذلك، تساعد خسارتها المنخفضة وسرعة تبديلها السريعة في تقليل ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي.

موصلية حرارية عالية

اشتهرت ثنائيات كربيد السيليكون منذ فترة طويلة بتوصيلها الحراري الاستثنائي، وهذه الميزة هي أحد الأسباب الرئيسية التي يمكن استخدامها في تطبيقات الطاقة. من خلال العمل في درجات حرارة أعلى من أجهزة السيليكون التقليدية، فإن أجهزة كربيد السيليكون قادرة على تقليل خسائر الطاقة مع تحسين الكفاءة أثناء التشغيل بترددات تبديل أكبر مما يسمح لها بالتعامل مع المزيد من التيار مع آثار أقدام مادية أصغر.

كما تتميز ثنائيات شوتكي كربيد السيليكون أيضاً بكثافة تيار أعلى مقارنةً بنظيراتها من السيليكون، مما يجعلها قادرة على حمل المزيد من التيار والتعامل مع الفولتية العالية بكفاءة أكبر من نماذج السيليكون. وعلاوة على ذلك، فإن انخفاض جهدها الأمامي أقل - لا يساعد فقط في توفير تكاليف استخدام الطاقة ولكن أيضًا من خلال خفض درجة الحرارة داخل الجهاز نفسه.

صمامات شوتكي الثنائية هي أجهزة شبه موصلة تتكون من جزأين: تلامس معدني وطبقة سيليكون مخدرة قليلاً. وعند تطبيقها بجهد موجب، يتشكل مجال كهربائي يؤدي إلى حقن الإلكترونات من التلامس المعدني إلى السيليكون من خلال مجال كهروستاتيكي ويستخدم التأثير الكهروضوئي لتحويل معظم الحاملات إلى إلكترونات حرة بسرعة أكبر بكثير من الصمام الثنائي العادي P-N.

تنتج هذه الدائرة الكهربائية انخفاضًا ضئيلًا جدًا في الجهد الأمامي عند تشغيل الأجهزة وإيقاف تشغيلها بانتظام، مثل المحركات أو مصابيح LED. كما أن انخفاض الجهد الأمامي المنخفض يتيح أيضًا ترددات أعلى للتشغيل، مما يحسن الأداء مع تقليل فقد الطاقة؛ وعلاوة على ذلك فإنه يضمن تيارًا ثابتًا على نطاق واسع من درجات الحرارة.