شهد الجيل الثالث من أشباه الموصلات، والمتمثل في نتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)، تطوراً سريعاً بفضل خصائصه الممتازة. ومع ذلك، فإن قياس معايير وخصائص هذه الأجهزة بدقة، بهدف استغلال إمكاناتها وتحسين كفاءتها وموثوقيتها، يتطلب معدات قياس عالية الدقة وأساليب احترافية.
تُستخدم مواد الجيل الجديد ذات فجوة النطاق العريض، والمتمثلة في كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، على نطاق واسع. تُعتبر هذه المواد، من الناحية الكهربائية، أقرب إلى العوازل من السيليكون ومواد أشباه الموصلات التقليدية الأخرى. صُممت هذه المواد للتغلب على قيود السيليكون، نظرًا لكونه مادة ذات فجوة نطاق ضيقة، مما يؤدي إلى ضعف تسرب التوصيل الكهربائي، والذي يزداد وضوحًا مع ارتفاع درجة الحرارة أو الجهد أو التردد. الحد المنطقي لهذا التسرب هو التوصيل غير المنضبط، والذي يُعادل عطلًا في تشغيل أشباه الموصلات.
من بين هاتين المادتين ذواتي فجوة النطاق الواسعة، يُعدّ نيتريد الغاليوم (GaN) مناسبًا بشكل أساسي لتطبيقات الطاقة المنخفضة والمتوسطة، حوالي 1 كيلوفولت وأقل من 100 أمبير. ويُعدّ استخدامه في إضاءة LED أحد مجالات النمو المهمة لنيتريد الغاليوم، فضلًا عن استخدامه المتزايد في تطبيقات أخرى منخفضة الطاقة مثل السيارات والاتصالات اللاسلكية. في المقابل، تُعتبر التقنيات المتعلقة بكربيد السيليكون (SiC) أكثر تطورًا من نيتريد الغاليوم، وهي أنسب لتطبيقات الطاقة العالية مثل محولات جر المركبات الكهربائية، ونقل الطاقة، ومعدات التكييف والتهوية الكبيرة، والأنظمة الصناعية.
تتميز أجهزة كربيد السيليكون (SiC) بقدرتها على العمل بفولتيات أعلى، وترددات تبديل أعلى، ودرجات حرارة أعلى من ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون (Si). في ظل هذه الظروف، يتمتع كربيد السيليكون بأداء وكفاءة وكثافة طاقة وموثوقية أعلى. تساعد هذه المزايا المصممين على تقليل حجم ووزن وتكلفة محولات الطاقة لجعلها أكثر تنافسية، لا سيما في قطاعات السوق المربحة مثل الطيران والصناعات العسكرية والمركبات الكهربائية.
تلعب ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون دورًا محوريًا في تطوير أجهزة تحويل الطاقة من الجيل التالي، نظرًا لقدرتها على تحقيق كفاءة طاقة أعلى في التصاميم القائمة على مكونات أصغر حجمًا. ويتطلب هذا التحول أيضًا من المهندسين إعادة النظر في بعض تقنيات التصميم والاختبار المستخدمة تقليديًا في صناعة إلكترونيات الطاقة.
يتزايد الطلب على الاختبارات الصارمة
لتحقيق الإمكانات الكاملة لأجهزة كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، يلزم إجراء قياسات دقيقة أثناء عملية التبديل لتحسين الكفاءة والموثوقية. يجب أن تراعي إجراءات اختبار أجهزة أشباه الموصلات من كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم ترددات التشغيل والفولتية العالية لهذه الأجهزة.
يُسهم تطوير أدوات الاختبار والقياس، مثل مولدات الوظائف العشوائية (AFGs) وأجهزة راسم الإشارة (oscilloscopes) ووحدات قياس المصدر (SMUs) ومحللات المعلمات، في مساعدة مهندسي تصميم الطاقة على تحقيق نتائج أكثر دقة وسرعة. ويُساعدهم هذا التحديث للمعدات على مواجهة التحديات اليومية. يقول جوناثان تاكر، رئيس قسم تسويق وحدات إمداد الطاقة في شركة Teck/Gishili: "لا يزال تقليل فاقد التبديل يُمثل تحديًا كبيرًا لمهندسي معدات الطاقة". يجب قياس هذه التصاميم بدقة لضمان الاتساق. ومن أهم تقنيات القياس اختبار النبضة المزدوجة (DPT)، وهو الطريقة القياسية لقياس معلمات التبديل لأجهزة MOSFET أو IGBT.
تتضمن تجهيزات إجراء اختبار النبض المزدوج لأشباه الموصلات من كربيد السيليكون ما يلي: مولد إشارات لتشغيل شبكة MOSFET، وجهاز راسم إشارة وبرنامج تحليل لقياس جهد المصرف-المصدر (VDS) وتيار المصرف (ID). بالإضافة إلى اختبار النبض المزدوج، أي بالإضافة إلى اختبار مستوى الدائرة، هناك اختبارات على مستوى المواد، ومستوى المكونات، ومستوى النظام. وقد مكّنت الابتكارات في أدوات الاختبار مهندسي التصميم في جميع مراحل دورة حياة المنتج من العمل على تطوير أجهزة تحويل طاقة تلبي متطلبات التصميم الصارمة بكفاءة عالية من حيث التكلفة.
إن الاستعداد لاعتماد المعدات استجابة للتغييرات التنظيمية والاحتياجات التكنولوجية الجديدة لمعدات المستخدم النهائي، بدءًا من توليد الطاقة وحتى المركبات الكهربائية، يسمح للشركات العاملة في مجال إلكترونيات الطاقة بالتركيز على الابتكار ذي القيمة المضافة ووضع الأساس للنمو المستقبلي.
تاريخ النشر: 27 مارس 2023