GaN এবং SiC: সহাবস্থান বা প্রতিস্থাপন?

ডেটা সেন্টার, পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স, বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং স্বায়ত্তশাসিত ড্রাইভিং প্রযুক্তি সহ একাধিক শিল্পে উচ্চতর শক্তির ঘনত্ব এবং দক্ষতার জন্য উদ্ভাবনের প্রাথমিক চালক হয়ে উঠেছে। ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (ডব্লিউবিজি) উপকরণের ক্ষেত্রে, গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) এবং সিলিকন কার্বাইড (SiC) বর্তমানে দুটি মূল প্ল্যাটফর্ম, যাকে পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর উদ্ভাবনের প্রধান হাতিয়ার হিসেবে দেখা হয়। বিদ্যুতের ক্রমবর্ধমান চাহিদা মেটাতে এই উপকরণগুলি পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স শিল্পকে গভীরভাবে রূপান্তরিত করছে।

প্রকৃতপক্ষে, SiC শিল্পের কিছু নেতৃস্থানীয় কোম্পানিও সক্রিয়ভাবে GaN প্রযুক্তি অন্বেষণ করছে। এই বছরের মার্চ মাসে, Infineon $830 মিলিয়ন নগদে কানাডিয়ান GaN স্টার্টআপ GaN Systems অধিগ্রহণ করে। একইভাবে, ROHM সম্প্রতি তাদের EcoGaN ব্র্যান্ডের GaN HEMT ডিভাইসগুলির উপর বিশেষ জোর দিয়ে PCIM Asia-এ তার সাম্প্রতিক SiC এবং GaN পণ্যগুলি প্রদর্শন করেছে। বিপরীতভাবে, আগস্ট 2022-এ, Navitas সেমিকন্ডাক্টর, যা মূলত GaN প্রযুক্তির উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে, GeneSiC অধিগ্রহণ করে, পরবর্তী প্রজন্মের পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর পোর্টফোলিওতে নিবেদিত একমাত্র কোম্পানি হয়ে ওঠে।

প্রকৃতপক্ষে, GaN এবং SiC কর্মক্ষমতা এবং প্রয়োগের পরিস্থিতিতে কিছু ওভারল্যাপ প্রদর্শন করে। অতএব, সিস্টেমের দৃষ্টিকোণ থেকে এই দুটি উপকরণের প্রয়োগের সম্ভাব্যতা মূল্যায়ন করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। যদিও R&D প্রক্রিয়া চলাকালীন বিভিন্ন নির্মাতাদের নিজস্ব দৃষ্টিভঙ্গি থাকতে পারে, তবে উন্নয়ন প্রবণতা, উপাদান ব্যয়, কর্মক্ষমতা এবং ডিজাইনের সুযোগ সহ একাধিক দিক থেকে তাদের ব্যাপকভাবে মূল্যায়ন করা অপরিহার্য।

পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স শিল্পের মূল প্রবণতাগুলি কী কী যা GaN পূরণ করে?

জিম উইথাম, GaN সিস্টেমের সিইও, অধিগ্রহণ করা কোম্পানির অন্যান্য নির্বাহীদের মতো পিছু হটতে বেছে নেননি; পরিবর্তে, তিনি ঘন ঘন জনসাধারণের উপস্থিতি অব্যাহত রেখেছেন। সম্প্রতি, একটি বক্তৃতায়, তিনি GaN পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টরগুলির গুরুত্বের উপর জোর দিয়েছিলেন, উল্লেখ করেছেন যে এই প্রযুক্তিটি পাওয়ার সিস্টেম ডিজাইনার এবং নির্মাতাদের বর্তমানে পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স শিল্পকে রূপান্তরিত করার তিনটি মূল প্রবণতা মোকাবেলা করতে সাহায্য করবে, প্রতিটি প্রবণতায় GaN একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করছে।

GaN সিস্টেমের সিইও জিম উইথাম

প্রথমত, শক্তি দক্ষতার সমস্যা। এটি ভবিষ্যদ্বাণী করা হয়েছে যে 2050 সালের মধ্যে বৈশ্বিক বিদ্যুতের চাহিদা 50% এরও বেশি বৃদ্ধি পাবে, এটিকে শক্তির দক্ষতা অপ্টিমাইজ করা এবং পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তিতে রূপান্তরকে ত্বরান্বিত করা অপরিহার্য করে তুলবে৷ বর্তমান রূপান্তরটি কেবল শক্তির দক্ষতার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে না বরং শক্তির স্বাধীনতা এবং মূলধারার পাওয়ার গ্রিডের সাথে একীকরণের মতো আরও চ্যালেঞ্জিং দিকগুলিতেও প্রসারিত। GaN প্রযুক্তি শক্তি এবং স্টোরেজ অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে উল্লেখযোগ্য শক্তি-সঞ্চয় সুবিধা প্রদান করে। উদাহরণস্বরূপ, GaN ব্যবহার করে সোলার মাইক্রোইনভার্টারগুলি আরও বিদ্যুৎ উৎপন্ন করতে পারে; AC-DC রূপান্তর এবং ইনভার্টারে GaN-এর প্রয়োগ ব্যাটারি স্টোরেজ সিস্টেমে শক্তির অপচয় 50% পর্যন্ত কমাতে পারে।

দ্বিতীয়ত, বিদ্যুতায়ন প্রক্রিয়া, বিশেষ করে পরিবহন খাতে। বৈদ্যুতিক যান সবসময় এই প্রবণতা ফোকাস হয়েছে. যাইহোক, বিদ্যুতায়ন ঘনবসতিপূর্ণ শহুরে এলাকায়, বিশেষ করে এশিয়ায় দ্বি-চাকা এবং তিন চাকার পরিবহনে (যেমন সাইকেল, মোটরসাইকেল এবং রিকশা) সম্প্রসারিত হচ্ছে। এই বাজারগুলি পরিপক্ক হওয়ার সাথে সাথে, GaN পাওয়ার ট্রানজিস্টরগুলির সুবিধাগুলি আরও বিশিষ্ট হয়ে উঠবে এবং জীবনের মান উন্নত করতে এবং পরিবেশ সুরক্ষায় GaN একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করবে৷

অবশেষে, ডিজিটাল বিশ্ব রিয়েল-টাইম ডেটা চাহিদা মেটাতে এবং কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তার (AI) দ্রুত বিকাশের জন্য ব্যাপক পরিবর্তনের মধ্য দিয়ে যাচ্ছে। ডেটা সেন্টারে বর্তমান পাওয়ার কনভার্সন এবং ডিস্ট্রিবিউশন টেকনোলজি ক্লাউড কম্পিউটিং এবং মেশিন লার্নিং, বিশেষ করে পাওয়ার-হাংরি এআই অ্যাপ্লিকেশানগুলির দ্বারা আনা দ্রুত ক্রমবর্ধমান চাহিদাগুলির সাথে তাল মিলিয়ে চলতে পারে না। শক্তি সঞ্চয় অর্জন করে, শীতল করার প্রয়োজনীয়তা হ্রাস করে এবং খরচ-কার্যকারিতা বৃদ্ধি করে, GaN প্রযুক্তি ডেটা সেন্টারের পাওয়ার সাপ্লাই ল্যান্ডস্কেপকে নতুন আকার দিচ্ছে। জেনারেটিভ AI এবং GaN প্রযুক্তির সংমিশ্রণ ডেটা সেন্টারগুলির জন্য আরও দক্ষ, টেকসই এবং শক্তিশালী ভবিষ্যত তৈরি করবে।

একজন ব্যবসায়ী নেতা এবং দৃঢ় পরিবেশবাদী আইনজীবী হিসেবে, জিম উইথাম বিশ্বাস করেন যে GaN প্রযুক্তির দ্রুত অগ্রগতি বিভিন্ন শক্তি-নির্ভর শিল্পকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করবে এবং বিশ্ব অর্থনীতিতে গভীর প্রভাব ফেলবে। তিনি বাজারের ভবিষ্যদ্বাণীগুলির সাথে একমত যে GaN পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর রাজস্ব আগামী পাঁচ বছরের মধ্যে $6 বিলিয়ন পৌঁছবে, উল্লেখ করে যে GaN প্রযুক্তি SiC-এর সাথে প্রতিযোগিতায় অনন্য সুবিধা এবং সুযোগ প্রদান করে।

প্রতিযোগিতামূলক প্রান্তের শর্তে GaN কীভাবে SiC-এর সাথে তুলনা করে?

অতীতে, GaN পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর সম্পর্কে কিছু ভুল ধারণা ছিল, অনেকের বিশ্বাস যে তারা ভোক্তা ইলেকট্রনিক্সে অ্যাপ্লিকেশন চার্জ করার জন্য আরও উপযুক্ত। যাইহোক, GaN এবং SiC-এর মধ্যে প্রাথমিক পার্থক্য তাদের ভোল্টেজ পরিসীমা অ্যাপ্লিকেশনের মধ্যে রয়েছে। GaN কম এবং মাঝারি ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনে ভাল কাজ করে, যখন SiC প্রধানত 1200V এর বেশি উচ্চ ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য ব্যবহৃত হয়। তবুও, এই দুটি উপকরণের মধ্যে পছন্দ ভোল্টেজ, কর্মক্ষমতা এবং খরচের কারণগুলি বিবেচনা করে।

উদাহরণস্বরূপ, 2023 পিসিআইএম ইউরোপ প্রদর্শনীতে, GaN সিস্টেমগুলি GaN সমাধানগুলি প্রদর্শন করেছে যা শক্তির ঘনত্ব এবং দক্ষতার ক্ষেত্রে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি প্রদর্শন করেছে৷ SiC ট্রানজিস্টর ডিজাইনের তুলনায়, GaN-ভিত্তিক 11kW/800V অনবোর্ড চার্জার (OBC) পাওয়ার ঘনত্বে 36% বৃদ্ধি এবং উপাদান খরচে 15% হ্রাস অর্জন করেছে। এই নকশাটি একটি ব্রিজলেস টোটেম-পোল পিএফসি কনফিগারেশন এবং দ্বৈত সক্রিয় সেতু প্রযুক্তিতে একটি তিন-স্তরের ফ্লাইং ক্যাপাসিটর টপোলজিকে একীভূত করে, যা GaN ট্রানজিস্টর ব্যবহার করে ভোল্টেজের চাপ 50% কমিয়ে দেয়।

বৈদ্যুতিক যানবাহনের তিনটি মূল অ্যাপ্লিকেশন-অনবোর্ড চার্জার (OBC), DC-DC রূপান্তরকারী এবং ট্র্যাকশন ইনভার্টার-এ-GaN Systems টয়োটার সাথে একটি অল-GaN কার প্রোটোটাইপ তৈরি করতে সহযোগিতা করেছে, যা আমেরিকান EV স্টার্টআপের জন্য উৎপাদন-প্রস্তুত OBC সমাধান প্রদান করেছে। Canoo, এবং 400V এবং 800V EV পাওয়ার সিস্টেমের জন্য GaN DC-DC রূপান্তরকারী তৈরি করতে Vitesco Technologies-এর সাথে অংশীদারিত্ব করেছে, যা অটোমেকারদের জন্য আরও পছন্দের প্রস্তাব দেয়।

জিম উইথাম বিশ্বাস করেন যে বর্তমানে SiC-এর উপর নির্ভরশীল গ্রাহকরা দুটি কারণে দ্রুত GaN-এ স্যুইচ করতে পারে: সীমিত প্রাপ্যতা এবং উপকরণের উচ্চ মূল্য। ডেটা সেন্টার থেকে স্বয়ংচালিত পর্যন্ত বিভিন্ন শিল্পে বিদ্যুতের চাহিদা বৃদ্ধি পাওয়ায়, GaN প্রযুক্তিতে একটি প্রাথমিক রূপান্তর এই উদ্যোগগুলিকে ভবিষ্যতে প্রতিযোগীদের সাথে ধরার জন্য প্রয়োজনীয় সময় কমাতে সক্ষম করবে।

সরবরাহ শৃঙ্খলের দৃষ্টিকোণ থেকে, SiC আরও ব্যয়বহুল এবং GaN এর তুলনায় সরবরাহের সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হয়। যেহেতু GaN সিলিকন ওয়েফারগুলিতে উত্পাদিত হয়, তাই বাজারের চাহিদা বৃদ্ধির সাথে এর দাম দ্রুত হ্রাস পায় এবং ভবিষ্যতের দাম এবং প্রতিযোগিতা আরও সঠিকভাবে অনুমান করা যায়। বিপরীতভাবে, সীমিত সংখ্যক SiC সরবরাহকারী এবং দীর্ঘ সীসা সময়, সাধারণত এক বছর পর্যন্ত, খরচ বাড়াতে পারে এবং 2025 এর পরেও স্বয়ংচালিত উত্পাদনের চাহিদাকে প্রভাবিত করতে পারে।

মাপযোগ্যতার পরিপ্রেক্ষিতে, GaN প্রায় "অসীমভাবে" মাপযোগ্য কারণ এটি কোটি কোটি CMOS ডিভাইসের মতো একই সরঞ্জাম ব্যবহার করে সিলিকন ওয়েফারে তৈরি করা যেতে পারে। GaN শীঘ্রই 8-ইঞ্চি, 12-ইঞ্চি এবং এমনকি 15-ইঞ্চি ওয়েফারগুলিতে উত্পাদিত হতে পারে, যেখানে SiC MOSFET গুলি সাধারণত 4-ইঞ্চি বা 6-ইঞ্চি ওয়েফারগুলিতে তৈরি করা হয় এবং সবেমাত্র 8-ইঞ্চি ওয়েফারগুলিতে রূপান্তরিত হতে শুরু করে৷

প্রযুক্তিগত পারফরম্যান্সের পরিপ্রেক্ষিতে, GaN বর্তমানে বিশ্বের দ্রুততম পাওয়ার সুইচিং ডিভাইস, যা অন্যান্য সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের তুলনায় উচ্চ শক্তির ঘনত্ব এবং আউটপুট দক্ষতা প্রদান করে। এটি গ্রাহকদের এবং ব্যবসার জন্য উল্লেখযোগ্য সুবিধা নিয়ে আসে, তা ছোট ডিভাইসের আকারে হোক, দ্রুত চার্জিং গতি হোক বা ডেটা সেন্টারের জন্য শীতল খরচ এবং শক্তি খরচ কম হোক। GaN প্রচুর সুবিধা প্রদর্শন করে।

GaN দিয়ে নির্মিত সিস্টেমগুলি SiC এর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে উচ্চ শক্তি ঘনত্ব প্রদর্শন করে। GaN গ্রহণের বিস্তারের সাথে সাথে, ছোট আকারের নতুন পাওয়ার সিস্টেম পণ্যগুলি ক্রমাগত আবির্ভূত হচ্ছে, যেখানে SiC একই স্তরের ক্ষুদ্রকরণ অর্জন করতে পারে না। GaN সিস্টেমের মতে, তাদের প্রথম-প্রজন্মের ডিভাইসগুলির কার্যকারিতা ইতিমধ্যে সর্বশেষ পঞ্চম-প্রজন্মের SiC সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলিকে ছাড়িয়ে গেছে। যেহেতু GaN কর্মক্ষমতা স্বল্প মেয়াদে 5 থেকে 10 গুণ উন্নত হয়, তাই এই কর্মক্ষমতা ব্যবধান আরও প্রসারিত হবে বলে আশা করা হচ্ছে।

উপরন্তু, GaN ডিভাইসের উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে যেমন কম গেট চার্জ, জিরো রিভার্স রিকভারি এবং ফ্ল্যাট আউটপুট ক্যাপাসিট্যান্স, যা উচ্চ-মানের সুইচিং কর্মক্ষমতা সক্ষম করে। 1200V এর নিচে মাঝামাঝি থেকে কম ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনে, GaN-এর সুইচিং লস কমপক্ষে তিনগুণ কম হয় SiC থেকে। ফ্রিকোয়েন্সি দৃষ্টিকোণ থেকে, বেশিরভাগ সিলিকন-ভিত্তিক ডিজাইন বর্তমানে 60kHz এবং 300kHz এর মধ্যে কাজ করে। যদিও SiC ফ্রিকোয়েন্সিতে উন্নতি করেছে, GaN-এর উন্নতিগুলি আরও স্পষ্ট, 500kHz এবং উচ্চতর ফ্রিকোয়েন্সি অর্জন করে।

যেহেতু SiC সাধারণত 1200V এবং উচ্চতর ভোল্টেজের জন্য ব্যবহার করা হয় শুধুমাত্র 650V-এর জন্য উপযুক্ত কিছু পণ্যের জন্য, তাই এর প্রয়োগ নির্দিষ্ট ডিজাইনে সীমিত, যেমন 30-40V কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স, 48V হাইব্রিড যান এবং ডেটা সেন্টার, যেগুলি সবই গুরুত্বপূর্ণ বাজার। অতএব, এই বাজারে SiC এর ভূমিকা সীমিত। অন্যদিকে, GaN এই ভোল্টেজের মাত্রায় উৎকর্ষ সাধন করে, ডেটা সেন্টার, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স, পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি, স্বয়ংচালিত এবং শিল্প খাতে উল্লেখযোগ্য অবদান রাখে।

ইঞ্জিনিয়ারদের GaN FETs (ফিল্ড ইফেক্ট ট্রানজিস্টর) এবং SiC-এর মধ্যে পারফরম্যান্সের পার্থক্য আরও ভালভাবে বুঝতে সাহায্য করার জন্য, GaN সিস্টেমগুলি যথাক্রমে SiC এবং GaN ব্যবহার করে দুটি 650V, 15A পাওয়ার সাপ্লাই ডিজাইন করেছে এবং বিস্তারিত তুলনামূলক পরীক্ষা পরিচালনা করেছে।

GaN বনাম SiC হেড টু হেড তুলনা

উচ্চ-গতির স্যুইচিং অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সেরা-ইন-শ্রেণির SiC MOSFET-এর সাথে GaN E-HEMT (এনহ্যান্সড হাই ইলেক্ট্রন মোবিলিটি ট্রানজিস্টর) তুলনা করে, এটি পাওয়া গেছে যে সিঙ্ক্রোনাস বক ডিসি-ডিসি কনভার্টারগুলিতে ব্যবহৃত হলে, কনভার্টারটি GaN ই-এর সাথে। HEMT SIC MOSFET এর তুলনায় অনেক বেশি দক্ষতা প্রদর্শন করেছে। এই তুলনা স্পষ্টভাবে দেখায় যে GaN E-HEMT মূল মেট্রিক্স যেমন সুইচিং স্পিড, পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স, স্যুইচিং লস, এবং তাপীয় পারফরম্যান্সের ক্ষেত্রে শীর্ষ SiC MOSFET-কে ছাড়িয়ে যায়। উপরন্তু, SiC-এর তুলনায়, GaN E-HEMT আরও কমপ্যাক্ট এবং দক্ষ পাওয়ার কনভার্টার ডিজাইন অর্জনে উল্লেখযোগ্য সুবিধা দেখায়।

কেন GaN সম্ভাব্য কিছু শর্তের অধীনে SiC-কে ছাড়িয়ে যেতে পারে?

আজ, ঐতিহ্যবাহী সিলিকন প্রযুক্তি তার সীমাতে পৌঁছেছে এবং GaN-এর কাছে থাকা অসংখ্য সুবিধা দিতে পারে না, যখন SiC-এর প্রয়োগ নির্দিষ্ট ব্যবহারের পরিস্থিতিতে সীমাবদ্ধ। "নির্দিষ্ট অবস্থার অধীনে" শব্দটি নির্দিষ্ট অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে এই উপকরণগুলির সীমাবদ্ধতা বোঝায়। বিদ্যুতের উপর ক্রমবর্ধমান নির্ভরশীল বিশ্বে, GaN শুধুমাত্র বিদ্যমান পণ্য সরবরাহকে উন্নত করে না বরং উদ্ভাবনী সমাধানও তৈরি করে যা ব্যবসাকে প্রতিযোগিতামূলক থাকতে সাহায্য করে।

যেহেতু GaN পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টররা প্রাথমিকভাবে গ্রহণ থেকে ব্যাপক উৎপাদনে রূপান্তরিত হয়, ব্যবসায়িক সিদ্ধান্ত গ্রহণকারীদের জন্য প্রাথমিক কাজ হল এই স্বীকৃতি দেওয়া যে GaN পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টরগুলি একটি উচ্চ স্তরের সামগ্রিক কর্মক্ষমতা প্রদান করতে পারে। এটি শুধুমাত্র গ্রাহকদের বাজারের অংশীদারিত্ব এবং মুনাফা বাড়াতে সাহায্য করে না কিন্তু কার্যকরীভাবে অপারেটিং খরচ এবং মূলধন ব্যয় হ্রাস করে।

এই বছরের সেপ্টেম্বরে, Infineon এবং GaN Systems যৌথভাবে একটি নতুন চতুর্থ প্রজন্মের গ্যালিয়াম নাইট্রাইড প্ল্যাটফর্ম (Gen 4 GaN Power Platform) চালু করেছে। 2022 সালে 3.2kW AI সার্ভার পাওয়ার সাপ্লাই থেকে বর্তমান চতুর্থ-প্রজন্মের প্ল্যাটফর্ম পর্যন্ত, এর কার্যকারিতা শুধুমাত্র 80 প্লাস টাইটানিয়াম দক্ষতার মানকে ছাড়িয়ে যায় না, কিন্তু এর শক্তির ঘনত্বও 100W/in³ থেকে 120W/in³ পর্যন্ত বৃদ্ধি পেয়েছে। এই প্ল্যাটফর্মটি শুধুমাত্র শক্তির দক্ষতা এবং আকারে নতুন মানদণ্ড নির্ধারণ করে না বরং উল্লেখযোগ্যভাবে উচ্চতর কর্মক্ষমতাও প্রদান করে।

সংক্ষেপে, সিআইসি কোম্পানিগুলি GaN কোম্পানিগুলি অর্জন করছে বা GaN কোম্পানিগুলি SiC কোম্পানিগুলি অর্জন করছে, অন্তর্নিহিত প্রেরণা হল তাদের বাজার এবং প্রয়োগের ক্ষেত্রগুলি প্রসারিত করা। সর্বোপরি, GaN এবং SiC উভয়ই ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) উপকরণের অন্তর্গত, এবং ভবিষ্যতের চতুর্থ প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদান যেমন গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga2O3) এবং অ্যান্টিমোনাইডস ধীরে ধীরে আবির্ভূত হবে, একটি বৈচিত্রপূর্ণ প্রযুক্তিগত বাস্তুতন্ত্র তৈরি করবে। অতএব, এই উপকরণগুলি একে অপরকে প্রতিস্থাপন করে না বরং সম্মিলিতভাবে শিল্পের বৃদ্ধিকে চালিত করে।**