ডায়মন্ড এবং ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সামগ্রী বৈদ্যুতিক যানবাহনে প্রযুক্তিগত উদ্ভাবনের নেতৃত্ব দেয়

বৈদ্যুতিক যানবাহনের দ্রুত বিকাশ (EVs) পাওয়ার ইলেকট্রনিক কনভার্টারগুলিতে উচ্চ চাহিদা আরোপ করেছে: দক্ষতা, কম্প্যাক্টনেস এবং নির্ভরযোগ্যতা। প্রথাগত সিলিকন (Si)-ভিত্তিক সেমিকন্ডাক্টরগুলি তাদের তাত্ত্বিক সীমাতে পৌঁছেছে, যখন ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) এবং আল্ট্রা-ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (UWBG) সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলি পরবর্তী-প্রজন্মের সমাধান হিসাবে আবির্ভূত হচ্ছে৷

 

এই নিবন্ধটি প্রাথমিকভাবে বৈদ্যুতিক গাড়ির পাওয়ার কনভার্টারগুলিতে ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলির সাম্প্রতিক অগ্রগতির উপর ফোকাস করে, যার বৈশিষ্ট্যগুলি, উত্পাদন চ্যালেঞ্জ, এবং সিলিকন কার্বাইড (SiC), গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN), এবং গ্যালারমন্ডের মতো গ্যালারমন্ডের উপাদানগুলির একটি গভীরতর বিশ্লেষণ সহ (Ga₂O₃)। এটি ট্র্যাকশন ইনভার্টার, অনবোর্ড চার্জার (OBCs) এবং DC-DC রূপান্তরকারীর মতো গুরুত্বপূর্ণ EV সিস্টেমগুলিতে এই উপকরণগুলির প্রযোজ্যতা পরীক্ষা করে, যখন তাদের প্রযুক্তিগত পরিপক্কতা, গবেষণার ফাঁক এবং বৈদ্যুতিক গতিশীলতায় বিস্তৃত ব্যান্ডগ্যাপ প্রযুক্তির সম্ভাবনা অন্বেষণ করার জন্য ভবিষ্যতের প্রবণতা নিয়ে আলোচনা করে৷

চওড়া-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরের উপাদান বৈশিষ্ট্য

বৈদ্যুতিক যানবাহনে শক্তি রূপান্তরের মূল হল পাওয়ার ইলেকট্রনিক রূপান্তরকারী, যার কার্যকারিতা সেমিকন্ডাক্টর স্যুইচিং ডিভাইসের উপর অনেক বেশি নির্ভর করে। সিলিকন, এর সংকীর্ণ ব্যান্ডগ্যাপ (1.12 eV), উচ্চ ভোল্টেজ, উচ্চ তাপমাত্রা এবং উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি অপারেশনে সীমাবদ্ধ, যা পরবর্তী-প্রজন্মের উচ্চ-ঘনত্ব, উচ্চ-দক্ষতাসম্পন্ন ইভি পাওয়ার সিস্টেমগুলির চাহিদা পূরণ করা ক্রমশ কঠিন করে তোলে৷

 

ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে সাধারণত 2 eV-এর বেশি ব্যান্ডগ্যাপ থাকে, এতে উচ্চতর ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র, কম-স্টেট রেজিস্ট্যান্স এবং চমৎকার তাপ পরিবাহিতা থাকে।

 

প্রাথমিক উপকরণ অন্তর্ভুক্ত:

 

সিলিকন কার্বাইড (SiC)

সবচেয়ে পরিপক্ক ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ প্রযুক্তিতে 3.26 eV এর ব্যান্ডগ্যাপ, 3-5 MV/cm এর একটি ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র এবং 3.0–4.9 W/cm·K (সিলিকনের প্রায় তিনগুণ) এর তাপ পরিবাহিতা রয়েছে. 4H-পলি স্ট্রিম 5 মিমি, পাওয়ার 5 মিমি পাওয়ারের জন্য SiC ডিভাইস ইতিমধ্যে ব্যাপক উৎপাদন এবং 200 মিমি ওয়েফার বাণিজ্যিকীকরণের কাছাকাছি। SiC MOSFETs 800 V-এর উপরে উচ্চ ভোল্টেজ সিস্টেমে উৎকর্ষ সাধন করে, উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবাহিতা এবং পরিবর্তনের ক্ষয়ক্ষতি হ্রাস করে, বৈদ্যুতিন সংকেতের মেরু বদল করার দক্ষতাকে কয়েক শতাংশ পয়েন্ট দ্বারা উন্নত করে এবং গাড়ির পরিধি প্রসারিত করে। প্রাথমিক চ্যালেঞ্জটি SiC/SiO₂ এর উচ্চ ইন্টারফেস ট্র্যাপ ঘনত্বের মধ্যে রয়েছে, কিন্তু নাইট্রোজেন প্যাসিভেশনের মতো কৌশলগুলি নির্ভরযোগ্যতাকে ব্যাপকভাবে উন্নত করেছে। নিম্ন-তাপমাত্রা (ক্রায়োজেনিক) পরিবেশে, উচ্চ-ভোল্টেজের SiC ডিভাইসগুলির অন-প্রতিরোধ এবং পরিবর্তনের ক্ষতি উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়, যা অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রার প্রয়োগের জন্য তাদের অনুপযুক্ত করে তোলে৷

 

গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN)

3.4 eV এর ব্যান্ডগ্যাপের সাথে, AlGaN/GaN হেটারোজাংশন দ্বারা গঠিত দুইটি-মাত্রিক ইলেক্ট্রন গ্যাস (2DEG) এর 2000 সেমি ²/V · s পর্যন্ত একটি ইলেকট্রন গতিশীলতা রয়েছে, প্রতিরোধ ক্ষমতা অত্যন্ত কম এবং MHz পর্যন্ত সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি। উচ্চ- ফ্রিকোয়েন্সি এবং মাঝারি ভোল্টেজে GaN-এর সুস্পষ্ট সুবিধা রয়েছে (<650 V) applications, which can significantly reduce the volume and weight of passive components in car chargers and DC-DC converters. At low temperatures, the performance of GaN is actually improved, with reduced on resistance and faster switching speed, making it very suitable for extreme environments. However, GaN lacks inexpensive intrinsic substrates and is often grown epitaxially on silicon, resulting in lattice mismatch and defect issues; The manufacturing of enhanced (normally off) devices is also more complex.

 

হীরা

আল্ট্রা ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (5.47 eV), 20 MV/cm এর তাত্ত্বিক ভাঙ্গন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র, 22 W/cm · K (SIC-এর 5 গুণেরও বেশি), তাত্ত্বিক কর্মক্ষমতা অন্যান্য উপকরণের চেয়ে অনেক বেশি, এবং প্রায় 10 kV Schottky ডায়োড এবং অত্যন্ত উচ্চ বালিগা মান রিপোর্ট করা হয়েছে। যাইহোক, n-টাইপ ডোপিং কঠিন এবং সাবস্ট্রেট খরচ বেশি। ডায়মন্ড পাওয়ার ডিভাইসের বাণিজ্যিকীকরণে সময় লাগতে পারে, কিন্তু অতি-উচ্চ ভোল্টেজ এবং উচ্চ তাপমাত্রার প্রয়োগে তাদের সম্ভাবনা অতুলনীয়।

 

- গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga ₂ O ∝)

4.5-4.9 eV এর ব্যান্ডগ্যাপ এবং 8 MV/cm এর একটি ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের সাথে, বৃহৎ-আকারের একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটগুলি গলিত পদ্ধতিতে (যেমন Czochralski) কম উৎপাদন খরচের সম্ভাবনা সহ বৃদ্ধি করা যেতে পারে। প্রধান ত্রুটি হল অত্যন্ত নিম্ন তাপ পরিবাহিতা (0.1-0.3 W/cm · K), উন্নত শীতল সমাধানের প্রয়োজন; পি-টাইপ ডোপিং কঠিন, এবং বেশিরভাগ ডিভাইসই ইউনিপোলার। ভবিষ্যতের অতি-উচ্চ ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত।

 

EV অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপাদান বৈশিষ্ট্য এবং উপযুক্ততা তুলনা

বিভিন্ন উপকরণের বৈশিষ্ট্য EV এর বিভিন্ন সাবসিস্টেমে তাদের সর্বোত্তম প্রয়োগের পরিস্থিতি নির্ধারণ করে:

• ট্র্যাকশন ইনভার্টার (উচ্চ ভোল্টেজ, 800 V+ সিস্টেম)
• SiC সর্বোত্তম। উচ্চ ভোল্টেজ ক্ষমতা, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা, এবং সাধারণ কুলিং সিস্টেম ব্যাপকভাবে সিলিকন আইজিবিটি প্রতিস্থাপন করেছে, দক্ষতার উন্নতি করেছে এবং ব্যাটারির আয়ু বাড়িয়েছে।
• গাড়ির চার্জার (OBC) এবং DC-DC রূপান্তরকারী
• GaN হল সেরা। উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি অপারেশন উল্লেখযোগ্যভাবে প্যাসিভ উপাদানের ভলিউম হ্রাস করে, 3-5 কিলোওয়াট/লি বা তার বেশি শক্তির ঘনত্ব অর্জন করে, গাড়ির ওজন হ্রাস করে এবং খরচ কমায়।
• ওয়্যারলেস চার্জিং (WPT)
• GaN-এর উচ্চ- ফ্রিকোয়েন্সি বৈশিষ্ট্য স্বাভাবিকভাবেই শত শত kHz থেকে MHz পর্যন্ত অনুরণিত রূপান্তরকারীদের সাথে খাপ খায়।
• অতি উচ্চ ভোল্টেজ ভবিষ্যত পরিস্থিতি (যেমন ভারী-ডিউটি ​​ট্রাক, পাওয়ার গ্রিড ইন্টারফেস)
• ডায়মন্ড এবং Ga ₂ O3-তে টপোলজি সরল করার এবং সিরিজ সংযুক্ত ডিভাইসগুলি কমানোর সবচেয়ে বড় সম্ভাবনা রয়েছে।
• নিম্ন-তাপমাত্রার কার্যক্ষমতার পরিপ্রেক্ষিতে, GaN এবং সিলিকন চমৎকার কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করে, যখন উচ্চ-ভোল্টেজের SiC কার্যক্ষমতা হ্রাস পায়, এবং প্রয়োগের পরিস্থিতি অনুযায়ী সাবধানে নির্বাচন করা উচিত।

 

দক্ষ ইভি পাওয়ার কনভার্টারে ডায়মন্ডের সম্ভাব্য প্রয়োগ এবং প্রকৌশল সম্ভাবনা

ডায়মন্ডকে তার অতি প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ এবং অত্যন্ত উচ্চ তাপ পরিবাহিতার কারণে SiC/GaNকে ছাড়িয়ে যাওয়া পরবর্তী প্রজন্মের উপাদান হিসেবে গণ্য করা হয়। প্রধান চ্যালেঞ্জগুলি হল n-টাইপ ডোপিংয়ের অসুবিধা (ফসফরাস/নাইট্রোজেন গভীর স্তর, নিম্ন ঘরের তাপমাত্রা সক্রিয়করণের হার) এবং বড়-আকারের একক ক্রিস্টাল সাবস্ট্রেটের উচ্চ খরচ, কিন্তু সাম্প্রতিক অগ্রগতি উল্লেখযোগ্য।

 

জাপানের পাওয়ার ডায়মন্ড সিস্টেম (PDS) 2026 অর্থবছরে EV ইনভার্টার এবং স্যাটেলাইটের জন্য নমুনা পাঠানোর পরিকল্পনা সহ SEMICON জাপান 2025-এ বাস্তব-সময়ের অপারেশন ডায়মন্ড পাওয়ার MOSFET প্রোটোটাইপগুলি প্রদর্শন করে৷

ফ্রেঞ্চ ডায়ামফ্যাব 2026 সালের মধ্যে একটি প্রত্যাশিত শিল্প প্রোটোটাইপ সহ পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সকে লক্ষ্য করে একটি ইউরোপীয় ডায়মন্ড ইকোসিস্টেম তৈরি করতে 4-ইঞ্চি সিন্থেটিক ডায়মন্ড ওয়েফারগুলিকে অগ্রসর করেছে৷

ডায়মন্ড ফাউন্ড্রি পার্সিয়াস প্রোটোটাইপ (2023) এর টেসলা মডেল 3 ইনভার্টারের চেয়ে ছয় গুণ ছোট এবং উচ্চ শক্তি ঘনত্ব রয়েছে।

ইভি সিস্টেম ইন্টিগ্রেশনের জন্য সম্ভাব্য

হীরার উচ্চ ভাঙ্গন ক্ষেত্রের শক্তি এটিকে উচ্চ-ভোল্টেজ সিস্টেমের সাথে সরাসরি ইন্টারফেস করতে সক্ষম করে, পাওয়ার কনভার্টারগুলির টপোলজিকে সরল করে এবং প্রয়োজনীয় ডিভাইসের সংখ্যা হ্রাস করে। উপরন্তু, হীরার অতি-উচ্চ তাপ পরিবাহিতা কুলিং সিস্টেমকে সহজ করে, উচ্চ শক্তির ঘনত্ব অর্জন করে (বর্তমান SiC ডিভাইসের তুলনায় কয়েকগুণ বেশি)। আল্ট্রা-হাই ভোল্টেজ ট্র্যাকশন ইনভার্টার, আল্ট্রা কমপ্যাক্ট কার চার্জার, এবং উচ্চ-তাপমাত্রা সহনশীল সিস্টেমে ডায়মন্ডের বিস্তৃত সম্ভাব্য অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে।

 

তাপ ব্যবস্থাপনা এবং নির্ভরযোগ্যতা

হীরার অতি-উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এটিকে বিশেষ করে উচ্চ-শক্তির ইভি সিস্টেমের জন্য উপযুক্ত করে তোলে, জটিল শীতলকরণের প্রয়োজন ছাড়াই দক্ষ তাপ অপচয় করতে সক্ষম করে। ডায়মন্ড উচ্চ তাপমাত্রা এবং বিকিরণ পরিবেশে SiC এবং GaN এর চেয়ে ভাল কাজ করে।

 

উপসংহার এবং সম্ভাবনা

প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরগুলি বৈদ্যুতিক গাড়ির পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স ল্যান্ডস্কেপকে নতুন আকার দিচ্ছে। SiC উচ্চ-ভোল্টেজ ট্র্যাকশন ইনভার্টারকে প্রাধান্য দেয়, GaN উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-ঘনত্বের অ্যাপ্লিকেশনে নেতৃত্ব দেয়, যখন হীরা এবং Ga ₂ O3 অতি-উচ্চ ভোল্টেজ এবং চরম পরিবেশের ভবিষ্যতের দিক নির্দেশ করে। উপকরণ নির্বাচন ব্যাপকভাবে বিবেচনা করা উচিত ভোল্টেজ স্তর, সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি, তাপ ব্যবস্থাপনা, এবং খরচ.

 

বর্তমান প্রধান চ্যালেঞ্জগুলির মধ্যে রয়েছে: SiC ইন্টারফেস অপ্টিমাইজেশান, GaN উচ্চ-ভোল্টেজ নির্ভরযোগ্যতা, এবং ডায়মন্ড/Ga ₂ O3 এর ডোপিং এবং সাবস্ট্রেট সমস্যা। উত্পাদন প্রক্রিয়ার পরিপক্কতার সাথে, প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ ডিভাইসগুলি বৈদ্যুতিক গাড়ির দক্ষতা, পরিসীমা এবং চার্জিং গতিকে আরও বাড়িয়ে তুলবে, পাশাপাশি পাওয়ার গ্রিড, শিল্প এবং বিমান চলাচলের ক্ষেত্রে পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে ব্যাপক উদ্ভাবনের প্রচার করবে।