Avantajele și dezavantajele aplicațiilor cu nitrură de galiu (GaN).

Pe măsură ce lumea caută noi oportunități în semiconductori,nitrură de galiucontinuă să se evidențieze ca un potențial candidat pentru viitoarele aplicații de putere și RF. Cu toate acestea, pentru toate beneficiile pe care le oferă, se confruntă în continuare cu o provocare majoră; nu există produse de tip P (tip P). De ce GaN este prezentat ca următorul material semiconductor major, de ce este lipsa dispozitivelor GaN de tip P un dezavantaj major și ce înseamnă acest lucru pentru proiectele viitoare?

În electronică, patru fapte au persistat de când primele dispozitive electronice au apărut pe piață: trebuie să fie cât mai mici, cât mai ieftine, să ofere cât mai multă energie și să consume cât mai puțină energie. Având în vedere că aceste cerințe se contrazic deseori, încercarea de a crea dispozitivul electronic perfect care poate îndeplini aceste patru cerințe este un pic de vis, dar asta nu i-a împiedicat pe ingineri să facă tot ce le stă în putință pentru ca acest lucru să se întâmple.

Folosind aceste patru principii directoare, inginerii au reușit să realizeze o varietate de sarcini aparent imposibile, cu computerele micșorându-se de la dispozitive de dimensiunea unei camere la cipuri mai mici decât un bob de orez, smartphone-uri care permit comunicarea fără fir și accesul la Internet și sisteme de realitate virtuală. care acum poate fi purtat și utilizat independent de computerul gazdă. Cu toate acestea, pe măsură ce inginerii se apropie de limitele fizice ale materialelor utilizate în mod obișnuit, cum ar fi siliciul, facerea dispozitivelor mai mici și utilizarea mai puțină energie devine acum imposibilă.

Drept urmare, cercetătorii caută în mod constant noi materiale care ar putea fi capabile să înlocuiască astfel de materiale comune și să continue să furnizeze dispozitive mai mici, care să funcționeze mai eficient. Nitrura de galiu (GaN) este un material care a atras multă atenție, în comparație cu siliciul, din motive evidente.

GaNeficiența superioară a lui

În primul rând, GaN conduce electricitatea de 1.000 de ori mai eficient decât siliciul, permițându-i să funcționeze la curenți mai mari. Aceasta înseamnă că dispozitivele GaN pot funcționa la o putere semnificativ mai mare fără a genera multă căldură și, astfel, pot fi reduse pentru aceeași putere dată.

Deși conductivitatea termică a GaN este puțin mai mică decât cea a siliciului, avantajele sale de management termic deschid noi căi pentru electronicele de mare putere. Acest lucru este important în special pentru aplicațiile în care spațiul este la un nivel premium și soluțiile de răcire trebuie reduse la minimum, cum ar fi electronicele aerospațiale și auto, iar capacitatea dispozitivelor GaN de a menține performanța la temperaturi ridicate evidențiază și mai mult potențialul lor pentru aplicații în mediu dure.

În al doilea rând, banda interzisă mai mare a GaN (3,4 eV față de 1,1 eV) permite utilizarea la tensiuni mai mari înainte de defectarea dielectrică. Ca rezultat, GaN nu numai că este capabil să furnizeze mai multă putere, dar poate face acest lucru la tensiuni mai mari, menținând în același timp o eficiență mai mare.

Mobilitatea ridicată a electronilor permite, de asemenea, utilizarea GaN la frecvențe mai mari. Acest factor face ca GaN să fie critic pentru aplicațiile de putere RF care funcționează cu mult peste intervalul GHz (ceva cu care se luptă siliciul).

Cu toate acestea, siliciul este puțin mai bun decât GaN în ceea ce privește conductivitatea termică, ceea ce înseamnă că dispozitivele GaN au cerințe termice mai mari decât dispozitivele cu siliciu. Ca urmare, lipsa conductibilității termice limitează capacitatea de a micșora dispozitivele GaN atunci când funcționează la putere mare (deoarece sunt necesare bucăți mari de material pentru a disipa căldura).

GaNCălcâiul lui Ahile - Fără tip P

Este grozav să ai semiconductori care pot funcționa la putere mare la frecvențe înalte, dar pentru toate avantajele oferite de GaN, există un dezavantaj major care îi împiedică grav capacitatea de a înlocui siliciul în multe aplicații: lipsa tipurilor P.

Probabil, unul dintre obiectivele principale ale acestor materiale nou descoperite este de a crește dramatic eficiența și de a susține o putere și o tensiune mai mare și nu există nicio îndoială că tranzistoarele GaN actuale pot realiza acest lucru. Cu toate acestea, în timp ce tranzistoarele GaN individuale oferă unele proprietăți impresionante, faptul că toate dispozitivele GaN comerciale actuale sunt de tip N compromite capacitatea lor de a fi extrem de eficiente.

Pentru a înțelege de ce este cazul, trebuie să ne uităm la modul în care funcționează logica NMOS și CMOS. Logica NMOS a fost o tehnologie foarte populară în anii 1970 și 1980 datorită procesului său simplu de fabricație și design. Folosind un singur rezistor conectat între sursa de alimentare și scurgerea unui tranzistor MOS de tip N, poarta acelui tranzistor este capabilă să controleze tensiunea la drenul tranzistorului MOS, implementând efectiv o non-poartă. Atunci când sunt combinate cu alți tranzistori NMOS, este posibil să se creeze toate componentele logice, inclusiv AND, SAU, XOR și zăvoare.

Cu toate acestea, deși această tehnică este simplă, folosește rezistențe pentru a furniza energie, ceea ce înseamnă că se irosește multă putere pe rezistențe atunci când tranzistoarele NMOS sunt pornite. Pentru o singură poartă, această pierdere de putere este minimă, dar poate crește la scalarea la procesoare mici de 8 biți, care pot încălzi dispozitivul și pot limita numărul de dispozitive active pe un singur cip.