دیود نیترید گالیوم (Gallium Nitride Diode - GaN Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود نیترید گالیوم (Gallium Nitride Diode - GaN Diode) :
دیود نیترید گالیوم (Gallium Nitride Diode - GaN Diode) یک نوع دیود نیمه هادی پیشرفته از خانواده مواد با گاف انرژی وسیع (Wide Bandgap) است. GaN مانند SiC دارای خواص الکترونیکی برتری نسبت به سیلیکون است، اما با تفاوت های کلیدی. GaN به ویژه برای کاربردهای فرکانس بسیار بالا و ولتاژهای متوسط تا بالا (تا ۱۲۰۰ ولت) با چگالی توان بالا مناسب است.
گاف انرژی GaN حدود ۳.۴ eV است، حتی کمی بیشتر از SiC. این ویژگی میدان الکتریکی بحرانی بسیار بالایی (حدود ۳ برابر SiC و ۱۰ برابر سیلیکون) به GaN می دهد. این بدان معناست که قطعات GaN می توانند بسیار نازک تر ساخته شوند و مقاومت سری (On-Resistance) بسیار کمی داشته باشند.
مهم ترین مزیت GaN نسبت به SiC، تحرک الکترونی (Electron Mobility) بالاتر آن است. این ویژگی باعث می شود قطعات GaN بتوانند در فرکانس های بسیار بالاتر (تا چند ده گیگاهرتز) نسبت به SiC کار کنند. این GaN را برای کاربردهای RF و مایکروویو توان بالا ایده آل می سازد.
دیودهای شاتکی GaN (GaN Schottky Diodes) و دیودهای پیوندی GaN (GaN PN Diodes) دو نوع رایج هستند. دیودهای شاتکی برای سوئیچینگ سریع و دیودهای PN برای ولتاژهای بالاتر و جریان های هجومی (Surge Current) بیشتر استفاده می شوند. همچنین ترانزیستورهای HEMT (High Electron Mobility Transistor) مبتنی بر GaN بسیار رایج تر از دیودهای مجزا هستند.
پارامترهای مهم دیودهای GaN عبارتند از: فرکانس کاری بسیار بالا (تا باند W)، ولتاژ معکوس تا ۱۲۰۰ ولت (و در حال افزایش)، جریان بالا، مقاومت سری بسیار کم، و زمان بازیابی معکوس تقریبا صفر. این پارامترها GaN را برای کاربردهای با چگالی توان بالا ایده آل می سازند.
کاربرد اصلی دیودهای GaN در منابع تغذیه سوئیچینگ با فرکانس بالا و چگالی توان بالا است. در شارژرهای سریع لپتاپ ها و تلفن های همراه (GaN Chargers)، از ترانزیستورهای GaN (و گاهی دیودها) برای کاهش اندازه و وزن و افزایش بازده استفاده می شود. شارژرهای GaN به طور قابل توجهی کوچک تر از نمونه های سیلیکونی هستند.
کاربرد دیگر در تقویت کننده های توان RF (RF Power Amplifiers) برای ایستگاه های پایه مخابراتی (Base Stations)، رادارها، و سیستم های ارتباطی ماهواره ای است. ترانزیستورهای GaN می توانند توان خروجی بالایی در فرکانس های چند گیگاهرتز ارائه دهند و دیودهای GaN نیز در این سیستم ها به عنوان آشکارساز و محافظ استفاده می شوند.
در صنعت خودروسازی، GaN برای مبدل های DC-DC و شارژرهای داخلی خودروهای برقی کاربرد دارد. فرکانس بالای سوئیچینگ GaN امکان استفاده از سلف ها و ترانسفورماتورهای کوچک تر را فراهم می کند که به کاهش وزن و حجم سیستم کمک می کند. همچنین در اینورترهای کششی نیز تحقیقات زیادی روی GaN در حال انجام است.
در سیستم های انرژی خورشیدی و ذخیره انرژی، GaN می تواند بازده مبدل ها را افزایش دهد و اندازه آنها را کاهش دهد. این امر به ویژه برای میکرواینورترها (Microinverters) و مبدل های متصل به شبکه (Grid-Tied Inverters) با توان متوسط اهمیت دارد.
یکی از چالش های GaN، مدیریت حرارتی در چگالی توان بسیار بالا است. اگرچه GaN می تواند در دماهای بالا کار کند، اما حرارت تولید شده در نقاط بسیار کوچک می تواند مشکل ساز باشد. طراحی حرارتی دقیق و استفاده از مواد با رسانایی حرارتی بالا برای دفع حرارت ضروری است.
چالش دیگر، قابلیت اطمینان (Reliability) طولانی مدت GaN در مقایسه با سیلیکون است. GaN یک ماده نسبتا جدیدتر است و هنوز پایگاه داده بلندمدت SiC را ندارد. با این حال، پیشرفت های سریع در فرآیندهای ساخت در حال رفع این نگرانی ها است.
در نهایت، دیود نیترید گالیوم یک فناوری نوظهور و بسیار قدرتمند در الکترونیک قدرت و RF است. با قابلیت کار در فرکانس های بسیار بالا و چگالی توان بالا، GaN در حال ایجاد تحول در صنایع مختلف از مخابرات و رادار تا خودروهای برقی و شارژرهای سریع است. انتظار می رود با کاهش هزینه ها و بهبود قابلیت اطمینان، کاربردهای GaN در آینده نزدیک به سرعت گسترش یابد.
