يجد التكوين الجانبي لترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الحركة الإلكترونية (HEMTs) استخدامًا واسع النطاق في العديد من التطبيقات الصناعية. يحدد هذا التكوين اتجاه تدفق الإلكترونات ، حيث تتدفق الإلكترونات بالتوازي مع سطح سطح المادة داخل الجهاز. في جهاز GaN الجانبي ، يتم وضع جهات الاتصال الخاصة بالمصدر والتصريف على سطح المادة ، مع وجود منطقة قناة فيما بينها تعمل كمنطقة نشطة. على نفس السطح ، إذا تم دمج إلكترود البوابة ، فيمكن أن يلعب دورًا مهمًا في تنظيم تدفق التيار عبر القناة.
أحد أسباب الاستخدام الواسع للتكوين الجانبي يرجع جزئيًا إلى خصائص الاستقطاب المفيدة. يستفيد هذا التكوين من غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد عالي الكثافة (2DEG) ، مما يؤدي إلى أداء استثنائي على الحالة ، لا سيما من حيث المقاومة المنخفضة. يسمح الترتيب بالتحكم الفعال في حركة الإلكترون ويسهل تحقيق مقاومة منخفضة أثناء الترانزستور في الحالة. وهذا بدوره يؤدي إلى تحسين التوصيل الكهربائي وتقليل فقد الطاقة وتحسين الأداء العام.
تم تقديم نظرية الوصلة الفائقة لأشباه الموصلات كحل لمعالجة المقايضة بين جهد الانهيار والمقاومة في أجهزة أشباه الموصلات التقليدية. تستخدم أجهزة الوصلة الفائقة أشباه موصلات رفيعة من النوع p و n من النوع المكدس.
بعد التنفيذ الناجح لمفهوم الوصلة الفائقة في أجهزة السيليكون لتحسين المفاضلة بين جهد الانهيار والمقاومة ، حوّل الباحثون انتباههم إلى استكشاف التطبيق المحتمل لهياكل الوصلات الفائقة القائمة على الاستقطاب (PSJ) في أجهزة III-nitride. تستخدم هذه الهياكل واجهات مزدوجة غير متجانسة ، مثل GaN / AlGaN / GaN. يستفيد هذا التكوين من الكثافة العالية والتنقل العالي للإلكترونات الناشئة عن 2DEG عالية الكثافة وكذلك الكثافة العالية لغاز الثقب ثنائي الأبعاد (2DHG) ، مما يؤدي إلى أداء استثنائي على الحالة ، لا سيما من حيث المقاومة المنخفضة ، مع دعم الفولتية الحجب العالية. الهدف الأساسي من هياكل PSJ هذه هو تحقيق توزيع موحد للمجال الكهربائي عبر منطقة الانجراف ، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين قدرة الحجب العكسي وقابلية التوسع في منع الجهد بطول الانجراف.
ومع ذلك ، من المهم أن نلاحظ أنه في حين تم التحقيق في مزايا ومبادئ عمل الأجهزة غير المتجانسة GaN PSJ ، لم يتم الإبلاغ عن قدراتها زيادة. القدرة على زيادة التيار هي قدرة الجهاز على التعامل مع الجهد الزائد العابر أو الظروف الحالية دون التعرض للضرر وتدهور الأداء.
أهمية القدرة على زيادة التيار
تعتبر موثوقية أجهزة الطاقة من الاعتبارات الحاسمة لمصممي الأجهزة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن هذه الأجهزة تعمل في ظل ظروف متطلبة تتضمن جهدًا عاليًا وتيارًا. من الضروري تصميم هذه الأجهزة لتحمل البيئات القاسية ، حيث يتم استخدامها غالبًا في التطبيقات التي تتطلب أداءً مرنًا وموثوقًا به.
تعد القدرة على زيادة التيار عاملاً حيويًا في تحديد موثوقية الجهاز. يشير إلى قدرة الجهاز على التعامل مع الزيادات المفاجئة في التيار ، والتي يمكن أن تحدث أثناء أحداث معينة ، مثل بدء التشغيل الأولي للمعدات الكهربائية أو أعطال الدائرة العرضية. يمكن أن تضع هذه النبضات عالية التيار ضغطًا كبيرًا على أجهزة الطاقة وبالتالي تكون بمثابة مؤشر حاسم على متانتها وموثوقيتها.
أكدت العديد من المقالات البحثية على التحسينات في القدرة على زيادة الطاقة في ثنائيات الطاقة ، مع التركيز بشكل خاص على أجهزة السيليكون وكربيد السيليكون. أحد الأساليب الواعدة هو تنفيذ هيكل PiN Schottky (MPS) المدمج في أجهزة SiC ، مما يعزز قدرة التيار الزائد مع تقليل تأثير إجهاد المجال في واجهة Schottky. نتيجة لذلك ، يتيح هذا الهيكل أداءً أعلى للجهد الكهربي في أجهزة SiC.
توفر ثنائيات SiC MPS مزايا انخفاض الجهد الأمامي المنخفض في ظل ظروف التشغيل العادية وقدرة عالية على التيار. لتحسين القدرة على زيادة سرعة هذه الثنائيات MPS ، ينصب التركيز الرئيسي على منع الارتفاع المفرط في درجة حرارة الوصلة. يمكن تحقيق ذلك من خلال تحسين تصميمات الهيكل والتخطيط ، مما يقلل بشكل فعال من انخفاض الجهد الأمامي أثناء عملية زيادة التيار. من خلال تقليل حرارة الجول المتولدة من خلال الجوانب الكهربائية المحسّنة ، فإن الهدف هو التخفيف من زيادة درجة الحرارة وتعزيز قدرة الاندفاع لثنائيات MPS.
تقييم 1،200-V GaN PSJ الثنائيات الهجينة
تقدم الورقة البحثية ، التي تحمل عنوان “تحليل قدرة تيار الصمام الثنائي الفائق للتوصيل باستقطاب 1.2 كيلو فولت كيلو فولت” ، نتائج حول قدرة التيار الزائد لثنائيات GaN PSJ. تكشف النتائج أن هذه الأجهزة يمكنها تحمل تيار تيار 60 أمبير ، وهو ما يقرب من 8 مرات أعلى من تيارها المقدر ، إلى جانب طاقة تصاعدية تبلغ 5.4 ج. علاوة على ذلك ، يسلط البحث الضوء على أنه على الرغم من وجود بنية MPS ، لا يتدفق التيار ثنائي القطب بسبب تنشيط الجاليوم p-doped حتى يصل الجهاز إلى نقطة الانهيار.
فيما يتعلق بهيكلها ، تستفيد أجهزة GaN PSJ من تعايشها عالي الكثافة 2DHG و 2DEG المتكونة في واجهات هياكلها غير المتجانسة. من خلال استخدام توازن شحنة الاستقطاب ، تحقق هذه الأجهزة توزيعًا موحدًا للمجال الكهربائي ، وبالتالي تعزيز قدرتها على تحمل الفولتية المانعة العالية.
طور الباحثون منضدة اختبار لتقييم قدرة التيار الزائد للصمام الثنائي GaN PSJ المختار. يوضح مخطط الدائرة الإعداد ، والذي يستخدم المحول التلقائي T2 لتنظيم الجهد والتحكم في تدفق التيار الزائد المطلوب من خلال الصمام الثنائي قيد الاختبار. يتم التحكم في التدفق الحالي بواسطة الثايرستور Ty1 ، والذي يتم تشغيله بواسطة دائرة التحكم.
لتحليل النتائج ، تم تطبيق نبضة تيار نصف جيبية تبلغ 10 مللي ثانية على الجهاز عند مستويات حالية مختلفة. تشير النتائج إلى أن الجهاز وصل إلى نقطة الانهيار عند حوالي 60 درجة ، مما أدى إلى حدوث عطل نتيجة ارتفاع مستوى التيار. كما لوحظ خلال النبضة النهائية للتيار المستمر (54.8 أمبير) قبل تدمير الجهاز ، يُظهر الفرع الصاعد انخفاضًا كبيرًا في التيار بسبب التلف الجزئي الناجم عن النبض السابق للتيار المستمر البالغ 58.3 أ.
تراقب مقالة البحث أيضًا الخصائص الثابتة للجهاز لتقييم أدائها من حيث السلوك على الحالة ، وتيار التسرب العكسي وقدرة الجهد الكهربي. عند فحص الخصائص الأمامية للجهاز ، يمكن ملاحظة انحراف طفيف في التيار الأمامي ، خاصة عند الفولتية الأمامية الأعلى. وبالمثل ، عند ملاحظة الخاصية العكسية للجهاز ، من الواضح أن الجهاز يحافظ على قدرة الجهد والجهد المحددة الخاصة به ؛ ومع ذلك ، هناك ارتفاع طفيف في تيار التسرب.
أثناء التحقيق في آلية الفشل ، تمكن الباحثون من استنتاج أن منطقة فشل الجهاز تقع على أصابع الأنود بالقرب من محطة الكاثود ، مما يُظهر توزيعًا موحدًا عبر الجهاز. يُعزى أحد أسباب هذا النمط من الفشل إلى بدء اتصال p-GaN بالقرب من منطقة الأنود ، وهي المنطقة التي يمكن ملاحظة الضرر فيها.
علاوة على ذلك ، يؤدي تنشيط منطقة p-GaN إلى حقن كمية كبيرة من ناقلات الأقلية عالية الطاقة في الجهاز. يمكن أن يتسبب هذا الحقن لحاملات الأقليات في تلف الشبكة داخل بنية الجهاز ، مما يؤدي في النهاية إلى فشلها.
مراجع
1شيخان وآخرون (2023). “تحليل قدرة تيار الصمام الثنائي الفائق الاستقطاب 1.2 كيلوفولت.” المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية ، المجلد. 62 ، رقم 1 ، ص. 014501 ، دوى: 10.35848 / 1347-4065 / aca853
2وو وآخرون. (يونيو 2020). “دراسة مقارنة لكربيد السيليكون دمجت صمامات PiN Schottky الثنائية مع اعتبارات مقترنة بالكهرباء الحرارية.” المواد ، المجلد. 13 ، رقم 11 ، ص. 2669 ، دوى: 10.3390 / ma13112669.
3ليو وآخرون. (2019). “زيادة القدرة الحالية لـ GaN E-HEMTs في وضع التوصيل العكسي.” 2019 الندوة الدولية الحادية والثلاثون حول أجهزة أشباه موصلات الطاقة والدوائر المتكاملة (ISPSD) ، ص 439-442 ، دوى: 10.1109 / ISPSD.2019.8757634.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
