Defectul fatal al GaN

Pe măsură ce lumea caută noi oportunități în domeniul semiconductorilor,nitrură de galiu (GaN)continuă să se evidențieze ca un potențial candidat pentru viitoarele aplicații de putere și RF. Cu toate acestea, în ciuda numeroaselor sale beneficii, GaN se confruntă cu o provocare semnificativă: absența produselor de tip P. De ce esteGaNsalutat ca următorul material semiconductor major, de ce este lipsa dispozitivelor GaN de tip P un dezavantaj critic și ce înseamnă acest lucru pentru proiectele viitoare?

De ce esteGaNSalutat ca următorul material semiconductor major?

În domeniul electronicii, patru fapte au persistat de când primele dispozitive electronice au apărut pe piață: trebuie făcute cât mai mici, cât mai ieftine, să ofere cât mai multă putere și să consume cât mai puțină energie. Având în vedere că aceste cerințe sunt adesea în conflict între ele, încercarea de a crea dispozitivul electronic perfect care să îndeplinească toate cele patru cerințe pare o visare cu ochii deschiși. Cu toate acestea, acest lucru nu i-a împiedicat pe ingineri să se străduiască să-l atingă.

Utilizând aceste patru principii directoare, inginerii au reușit să îndeplinească o varietate de sarcini aparent imposibile. Calculatoarele s-au micșorat de la mașinile de dimensiunea unei camere la chipsuri mai mici decât un bob de orez, smartphone-urile permit acum comunicația fără fir și accesul la internet, iar sistemele de realitate virtuală pot fi acum purtate și utilizate independent de o 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 consumând mai puțină energie a devenit din ce în ce mai dificilă.

În consecință, cercetătorii caută în permanență noi materiale care ar putea înlocui astfel de materiale comune și să continue să ofere dispozitive mai mici și mai eficiente.nitrură de galiu (GaN)este un astfel de material care a atras o atenție semnificativă, iar motivele sunt evidente în comparație cu siliciul.

Ce faceNitrură de galiuExcepțional de eficient?

În primul rând, conductivitatea electrică a GaN este de 1000 de ori mai mare decât cea a siliciului, permițându-i să funcționeze la curenți mai mari. Acest lucru înseamnăGaNdispozitivele pot funcționa la niveluri de putere semnificativ mai mari fără a genera căldură excesivă, permițându-le să fie mai mici pentru o anumită putere de ieșire.

În ciuda conductibilității termice ușor mai scăzute a GaN în comparație cu siliciul, avantajele sale de gestionare a căldurii deschid drumul către noi căi în electronica de mare putere. Acest lucru este esențial în special pentru aplicațiile în care spațiul este limitat și soluțiile de răcire trebuie reduse la minimum, cum ar fi în industria aerospațială și electronică auto.GaNcapacitatea dispozitivelor de a menține performanța la temperaturi ridicate evidențiază și mai mult potențialul lor în aplicațiile de mediu dure.

În al doilea rând, banda interzisă mai mare a GaN (3,4 eV comparativ cu 1,1 eV) îi permite să fie utilizat la tensiuni mai mari înainte de defectarea dielectrică. In consecinta,GaNnu numai că oferă o putere mai mare, dar poate funcționa și la tensiuni mai mari, menținând în același timp o eficiență mai mare.

Mobilitatea mare a electronilor permite, de asemeneaGaNpentru a fi utilizate la frecvențe mai mari. Acest factor face ca GaN să fie esențial pentru aplicațiile de putere RF care funcționează cu mult peste intervalul GHz, pe care siliciul se străduiește să le gestioneze. Cu toate acestea, în ceea ce privește conductivitatea termică, siliciul depășește ușorGaN, ceea ce înseamnă că dispozitivele GaN au cerințe termice mai mari în comparație cu dispozitivele din silicon. Ca urmare, lipsa conductibilității termice limitează capacitatea de miniaturizareGaNdispozitive pentru operațiuni de mare putere, deoarece sunt necesare volume mai mari de material pentru disiparea căldurii.

Care este defectul fatalGaN— Lipsa tipului P?

A avea un semiconductor capabil să funcționeze la putere mare și frecvențe înalte este excelent. Cu toate acestea, în ciuda tuturor avantajelor sale, GaN are un defect major care îi împiedică serios capacitatea de a înlocui siliciul în multe aplicații: lipsa dispozitivelor GaN de tip P.

Unul dintre scopurile principale ale acestor materiale nou descoperite este de a îmbunătăți semnificativ eficiența și de a susține o putere și o tensiune mai mare și nu există nicio îndoială că curentulGaNtranzistorii pot realiza acest lucru. Cu toate acestea, deși tranzistoarele GaN individuale pot oferi într-adevăr unele caracteristici impresionante, faptul că toate comerciale actualeGaNdispozitivele sunt de tip N afectează capacitățile lor de eficiență.

Pentru a înțelege de ce este cazul, trebuie să ne uităm la modul în care funcționează logica NMOS și CMOS. Datorită procesului de fabricație și design simplu, logica NMOS a fost o tehnologie foarte populară în anii 1970 și 1980. Folosind un singur rezistor conectat între sursa de alimentare și drenul unui tranzistor MOS de tip N, poarta acestui tranzistor poate controla tensiunea de drenare a tranzistorului MOS, implementând efectiv o poartă NOT. Atunci când sunt combinate cu alte tranzistoare NMOS, toate elementele logice, inclusiv AND, SAU, XOR și zăvoare, pot fi create.

Cu toate acestea, deși această tehnologie este simplă, folosește rezistențe pentru a furniza energie. Aceasta înseamnă că atunci când tranzistoarele NMOS conduc, o cantitate semnificativă de putere este irosită pe rezistențe. Pentru o poartă individuală, această pierdere de putere este minimă, dar atunci când este mărită la un procesor mic de 8 biți, această pierdere de putere se poate acumula, încălzind dispozitivul și limitând numărul de componente active pe un singur cip.

Cum a evoluat tehnologia NMOS la CMOS?

Pe de altă parte, CMOS utilizează tranzistori de tip P și N care funcționează sinergic în moduri opuse. Indiferent de starea de intrare a porții logice CMOS, ieșirea porții nu permite o conexiune de la putere la masă, reducând semnificativ pierderea de putere (la fel ca atunci când tipul N conduce, tipul P izolează și invers). De fapt, singura pierdere de putere reală în circuitele CMOS are loc în timpul tranzițiilor de stare, unde o conexiune tranzitorie între putere și masă se formează prin perechi complementare.

Revenind laGaNdispozitive, deoarece în prezent există doar dispozitive de tip N, singura tehnologie disponibilă pentruGaNeste NMOS, care este în mod inerent sever de putere. Aceasta nu este o problemă pentru amplificatoarele RF, dar este un dezavantaj major pentru circuitele logice.

Pe măsură ce consumul global de energie continuă să crească și impactul tehnologiei asupra mediului este atent analizat, urmărirea eficienței energetice în electronice a devenit mai critică ca niciodată. Limitările consumului de energie ale tehnologiei NMOS subliniază nevoia urgentă de descoperiri în materialele semiconductoare pentru a oferi performanțe ridicate și eficiență energetică ridicată. Dezvoltarea tipului PGaNsau tehnologiile complementare alternative ar putea marca o piatră de hotar semnificativă în această căutare, revoluționând potențial proiectarea dispozitivelor electronice eficiente din punct de vedere energetic.

Interesant este că este în întregime posibil să se fabrice tip PGaNdispozitive, iar acestea au fost folosite în surse de lumină cu LED-uri albastre, inclusiv Blu-ray. Cu toate acestea, în timp ce aceste dispozitive sunt suficiente pentru cerințele optoelectronice, ele sunt departe de a fi ideale pentru aplicații de logică digitală și putere. De exemplu, singurul dopant practic pentru fabricarea de tip PGaNdispozitivele este magneziu, dar datorită concentrației mari necesare, hidrogenul poate pătrunde cu ușurință în structură în timpul recoacerii, afectând performanța materialului.

Prin urmare, absența tipului PGaNdispozitivele împiedică inginerii să exploateze pe deplin potențialul GaN ca semiconductor.

Ce înseamnă asta pentru viitorii ingineri?

În prezent, multe materiale sunt studiate, un alt candidat major fiind carbura de siliciu (SiC). CaGaN, în comparație cu siliciul, oferă o tensiune de funcționare mai mare, o tensiune de defalcare mai mare și o conductivitate mai bună. În plus, conductivitatea sa termică ridicată îi permite să fie utilizat la temperaturi extreme și dimensiuni semnificativ mai mici, controlând în același timp o putere mai mare.

Cu toate acestea, spre deosebire deGaN, SiC nu este potrivit pentru frecvențe înalte, ceea ce înseamnă că este puțin probabil să fie utilizat pentru aplicații RF. Prin urmare,GaNrămâne alegerea preferată pentru inginerii care doresc să creeze amplificatoare de putere mici. O soluție la problema de tip P este combinareaGaNcu tranzistoare MOS de siliciu de tip P. Deși acest lucru oferă capabilități complementare, limitează în mod inerent frecvența și eficiența GaN.

Pe măsură ce tehnologia avansează, cercetătorii pot găsi în cele din urmă tipul PGaNdispozitive sau dispozitive complementare care folosesc diferite tehnologii care pot fi combinate cu GaN. Cu toate acestea, până la sosirea acelei zile,GaNva continua să fie constrâns de limitările tehnologice ale timpului nostru.

Natura interdisciplinară a cercetării semiconductorilor, care implică știința materialelor, inginerie electrică și fizică, subliniază eforturile de colaborare necesare pentru a depăși limitările actuale aleGaNtehnologie. Potențiale progrese în dezvoltarea tipului PGaNsau găsirea de materiale complementare adecvate ar putea nu numai să îmbunătățească performanța dispozitivelor bazate pe GaN, ci și să contribuie la peisajul mai larg al tehnologiei semiconductoarelor, deschizând calea pentru sisteme electronice mai eficiente, compacte și mai fiabile în viitor.**

Noi, cei de la Semicorex, producem și furnizăm înGaNEpi-napolitane și alte tipuri de napolitaneaplicat în producția de semiconductori, dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.

Telefon de contact: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com