اقرأ في هذا المقال
تطورت تقنيات الدوائر الكهربائية المتكاملة (GaN) بشكل كبير خلال السنوات الأخيرة، حيث أن الميزة البارزة لترانزستورات (GaN) عالية “الحركة الإلكترونية” (HEMTs)، كذلك كثافات الطاقة الناتجة التي لا مثيل لها، بحيث خلقت نقلة نوعية في التطبيقات عالية الطاقة القائمة والناشئة، بحيث تتجه التطورات حول التطوير والتوقعات الخاصة بمضخمات “طاقة الدائرة المتكاملة” (GaN-PAs).
تحليل مضخمات طاقة الدوائر الكهربائية المتكاملة GaN
أحدثت تقنية (GaN) ثورة في صناعة أشباه الموصلات ذات فجوة “المجموعة الواسعة” من خلال تقديم ترانزستورات ذات جهد انهيار عالٍ بشكل ملحوظ، على سبيل المثال تتجاوز (100) فولت، وهذا يتيح تشغيل ترانزستورات (GaN) بجهد إمداد عالي، ونتيجة لذلك؛ تعتبر كثافات طاقة خرج مذهلة. تم استخدام تقنية (GaN) في المقام الأول لتوليد الطاقة العالية، حيث ظهر ترانزستور تنقل الإلكترون العالي (GaN-HEMT) كقوة مهيمنة في مضخمات الطاقة الصلبة (PAs).
كما بدأت التطورات المبكرة في (GaN-HEMT) في التسعينيات، حيث تم الإبلاغ عن عدد من غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) من تطبيقات غير متجانسة (GaN / AlGaN)، بحيث استخدمت هذه العمليات الأولية الياقوت (Al2O3) كركيزة، وهي مادة ذات توصيل حراري منخفض (32 واط / م⋅ كلفن في درجة حرارة الغرفة)، والتي لم تكن مناسبة لتطبيقات الطاقة العالية، كما تم حل هذه المشكلة لاحقاً باستخدام كربيد السيليكون (SiC) مع الموصلية الحرارية الممتازة (490 واط / متر مكعب في درجة حرارة الغرفة) كالركيزة التي تسمح بتبديد كثافة الطاقة العالية بكفاءة وتجنب درجات حرارة القناة العالية للغاية.
وفيما بعد تم الإبلاغ عن أول دوائر متكاملة من (GaN) التي تستخدم الترابط ذي رقاقة التقليب للإدارة الحرارية في عام (1999م ، بحيث تم تقديم مضخم طاقة الموجة المتنقلة (TWPA)، كما نمت (GaN HEMTs) على ركيزة من الياقوت مع ربط رقاقة قلب على ركيزة (AlN) لتحسين الإدارة الحرارية، بحيث يعمل (TWPA) على عرض نطاق ترددي يتراوح من (1) إلى (8) جيجا هرتز ويوفر طاقة خرج تبلغ (4.5) وات تحت جهد إمداد (22) فولت، بينما كانت كفاءة الطاقة المضافة (PAE) أقل من (15٪).
العمليات الكهربائية المرتبطة بالترانزستورات GaN
التطورات المبكرة بدأت التطورات الناجحة لعمليات (GaN) بتصنيع (2DEG GaN / AlGaN) غير المتجانسة، والتي جعلت الخصائص الخاصة لـ (GaN) والفجوة العريضة البالغة (3.4) فولت والجهد العالي للانهيار وحتى التنقل العالي للإلكترون وسرعة التشبع، وذلك باعتبارها مادة واعدة لتصنيع الترانزستورات عالية الطاقة وعالية التردد الكهربائي.
كما أصبحت (GaN HEMTs) متاحة تجارياً منذ أوائل عام (2000)م، حيث تم توفير الترانزستورات المنفصلة من قبل مختلف موردي منتجات أشباه الموصلات في تكوينات لا مثيل لها ومطابقة داخلياً، مما يوفر طاقة خرج تصل إلى (1000) واط وكثافة عالية للطاقة أي حوالي (50) واط / مم، بحيث تعمل مع الفولتية العالية للإمداد، وعادةً (50-80) فولت وحتى أكبر من (1000) فولت لبعض العمليات عالية الطاقة، وهو نموذجي لـ (PAE) من (50-70٪)، عبر نطاقات التردد اللاسلكي التي تقل عن (10) جيجا هرتز.
مصدر الجهد الكهربائي في دوائر المضخمات
الدافع الأساسي لاستخدام (GaN-HEMTs) هو قدرات جهد الإمداد العالي، وهي الناتجة عن الفولتية العالية للانهيار للعملية، بحيث ينتج عن هذا العديد من المزايا مقارنة بالعمليات المناظرة مثل (GaAs)، خاصة بالنسبة لدارات (PA)، بما في ذلك كثافات طاقة الخرج العالية وتيار الإمداد المنخفض والمكثفات الطفيلية الأصغر وشبكات مطابقة مقاومة النطاق العريض، لذلك هناك مسعى لتطوير ترانزستورات قادرة على الحفاظ على جهد إمداد أكبر.
ومع ذلك؛ فإن الحد الأقصى لجهد الإمداد محدود بعدة عوامل بما في ذلك هيكل وأبعاد الترانزستور والتأثيرات الفيزيائية ، على سبيل المثال المجال الكهربائي لانهيار [GaN (3 MV / cm)]، كما لوحظ تجريبياً أن جهد الانهيار يزداد مع فصل الترانزستور من البوابة إلى الصرف (Lgd) حتى يصل إلى التشبع، كذلك المجال الكهربائي المقابل (VBR / Lgd) هو حوالي (1-2 MV / سم)، بحيث يمكن زيادة جهد الانهيار باستخدام هياكل (HEMT) المحسنة، على سبيل المثال لوحة المجال ولوحات المجال المتعددة.
المواد المكونة دوائر مضخمات الجهد الكهربائي
مادة الركيزة لها تأثيرات كبيرة على الخصائص الحرارية والكهربائية والتكلفة لعملية (GaN)، بحيث يتم تقييم أداء الركيزة بشكل تقليدي بناءً على التوصيل الحراري وتكلفة التصنيع والمكونات الطفيلية الكهربائية والفقد وحتى المتانة الميكانيكية، لذلك كان الياقوت هو الركيزة الأولى المستخدمة في عمليات (GaN) المبكرة، بينما تم فحص المواد الأخرى لاحقاً مثل الجاليوم الأصلي الماس والسيليكون والجرمانيوم.
حالياً يعد السيلكون بمثابة الركيزة الأكثر شيوعاً في عمليات (GaN)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث يوفر (SiC) موصلية حرارية ممتازة تبلغ (490 W / m⋅K)، مما يسمح بتبديد الطاقة العالية ويمنع تأثيرات التسخين الذاتي، كما يتميز (SiC) أيضاً بفقدان منخفض للركيزة وهو أمر مهم بشكل خاص للدوائر عالية التردد الكهربائي وعالية السرعة.
وبالنسبة الى القياسات الخاصة بالترانزستور؛ فقد تمت متابعة تحجيم (GaN-HEMTs) من خلال تقنيات الأجهزة الجديدة لتحسين التردد التشغيلي للترانزستورات، كما يحسن القياس (fT) و (fmax) من الترانزستورات، ولكن في نفس الوقت يحط من جهد انهيارها، أيضاً يمكن تخفيف هذه المقايضة باستخدام هياكل (HEMT) غير متماثلة مع (Lgs) وأقصر من (Lgd)، حسب الشكل (1)، وكذلك لمنع انخفاض جهد الانهيار، على سبيل المثال، (Lgd = 8Lgs).
ووصولاً الى نمذجة الترانزستورات؛ يعد تطوير نماذج دقيقة للترانزستورات أمراً ضرورياً للاستفادة من فوائد عملية (GaN)، وهذا يمثل تحدياً نتيجة للعديد من التأثيرات الفيزيائية التي يجب تصميمها بدقة، بما في ذلك تيار التصريف المعتمد على الجهد الكهربائي [Ids = f (Vgs ، Vds)] ومشتقات تيار التصريف و (gm) و (gm2) و (gm3) والجهد أو الشحنة مصحوبةً بنماذج السعة المعتمدة، (Cgs ،Cgd ،Cds) مصحوبة بالنموذج الحالي للإشارة الكبيرة المعتمد على درجة الحرارة، على سبيل المثال من خلال تنقل الإلكترون والعتبة أو الجهد الكهربائي لأجهزة وضع التعزيز والاستنفاد.
أيضاً يتم استخدام عدد من النماذج الأساسية بشكل تقليدي في (GaN-HEMTs)، على سبيل المثال (Curtice) و (EEHEMT) و (Angelov)، والتي يتم تحسينها تدريجياً من خلال تضمين التأثيرات المهمة، كما أن هناك بعض السلوكيات الجسدية التي تنفرد بها (GaN-HEMTs) والتي تتطلب نماذج جديدة قائمة على الفيزياء، وهو مصدر (MIT) الظاهري نموذج (GaN HEMT) عالي الجهد (MVSG-HV) هو نموذج فيزيائي قابل للتطوير قادر على التقاط السلوكيات الثابتة والديناميكية للترانزستور من خلال الشحن المتسق ذاتياً والنماذج الحالية.
وأخيراً يعتبر احتجاز الشحنات مشكلة في (GaN-HEMTs)، حيث تظهر كتأثيرات غير خطية للذاكرة في دوائر (PA) أو تدهور المقاومة، كذلك (Ron) للترانزستور (المعروف أيضًاً باسم تأثير الانهيار الحالي)، أما في تبديل الدوائر؛ فإنه يتم نمذجة تأثير احتجاز الشحنات في (MVSG-HV) من خلال تضمين ترانزستورات المصيدة كبوابات افتراضية في منطقة الوصول إلى التصريف، وعلاوة على ذلك يشتمل النموذج على معلمات لتشغيل العتبة الفرعية للترانزستور، وهو أمر مهم للنمذجة الدقيقة للأجهزة المنحازة من الفئة (C)، على سبيل المثال مكبر الصوت الإضافي في (Doherty-PAs).
