Zalety i wady zastosowań azotku galu (GaN).

Ponieważ świat poszukuje nowych możliwości w dziedzinie półprzewodników,azotek galunadal wyróżnia się jako potencjalny kandydat do przyszłych zastosowań w energetyce i częstotliwościach radiowych. Jednak pomimo wszystkich korzyści, jakie oferuje, nadal stoi przed poważnym wyzwaniem; nie ma produktów typu P (typu P). Dlaczego GaN jest reklamowany jako kolejny ważny materiał półprzewodnikowy, dlaczego brak urządzeń GaN typu P jest główną wadą i co to oznacza dla przyszłych projektów?

W elektronice od czasu pojawienia się pierwszych urządzeń elektronicznych na rynku nie zmieniły się cztery fakty: muszą być tak małe, jak to możliwe, tak tanie, jak to możliwe, zapewniać jak najwięcej mocy i zużywać jak najmniej energii. Biorąc pod uwagę, że te wymagania często są ze sobą sprzeczne, próba stworzenia idealnego urządzenia elektronicznego, które będzie w stanie spełnić te cztery wymagania, jest mrzonką, ale nie powstrzymuje to inżynierów przed zrobieniem wszystkiego, co w ich mocy, aby tak się stało.

Stosując te cztery zasady przewodnie, inżynierom udało się wykonać szereg pozornie niemożliwych zadań, przy czym komputery skurczyły się z urządzeń wielkości pomieszczenia do chipów mniejszych niż ziarnko ryżu, smartfony umożliwiające bezprzewodową komunikację i dostęp do Internetu oraz systemy rzeczywistości wirtualnej które można teraz nosić i używać niezależnie od komputera hosta. Jednakże w miarę jak inżynierowie zbliżają się do fizycznych ograniczeń powszechnie stosowanych materiałów, takich jak krzem, zmniejszanie rozmiarów urządzeń i zużywanie mniejszej ilości energii staje się obecnie niemożliwe.

W rezultacie badacze nieustannie poszukują nowych materiałów, które mogłyby zastąpić takie powszechne materiały i w dalszym ciągu opracowywać mniejsze urządzenia, które działają wydajniej. Azotek galu (GaN) to materiał, który z oczywistych powodów przyciąga wiele uwagi w porównaniu z krzemem.

GaNnajwyższa wydajność

Po pierwsze, GaN przewodzi prąd 1000 razy wydajniej niż krzem, dzięki czemu może pracować przy wyższych prądach. Oznacza to, że urządzenia GaN mogą pracować ze znacznie większą mocą bez wytwarzania dużej ilości ciepła, a zatem mogą być mniejsze przy tej samej mocy.

Chociaż przewodność cieplna GaN jest nieco niższa niż krzemu, jego zalety w zakresie zarządzania ciepłem otwierają nowe możliwości dla elektroniki dużej mocy. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach, w których przestrzeń jest na wagę złota i należy zminimalizować rozwiązania chłodzące, takich jak elektronika lotnicza i samochodowa, a zdolność urządzeń GaN do utrzymywania wydajności w wysokich temperaturach dodatkowo podkreśla ich potencjał w zastosowaniach w trudnych warunkach środowiskowych.

Po drugie, większe pasmo wzbronione GaN (3,4 eV w porównaniu z 1,1 eV) pozwala na stosowanie przy wyższych napięciach przed przebiciem dielektryka. W rezultacie GaN jest w stanie nie tylko dostarczyć większą moc, ale może to zrobić przy wyższych napięciach, zachowując jednocześnie wyższą wydajność.

Wysoka ruchliwość elektronów pozwala również na wykorzystanie GaN przy wyższych częstotliwościach. Czynnik ten sprawia, że ​​GaN ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach mocy RF, które działają znacznie powyżej zakresu GHz (coś, z czym boryka się krzem).

Jednakże krzem jest nieco lepszy od GaN pod względem przewodności cieplnej, co oznacza, że ​​urządzenia GaN mają większe wymagania termiczne niż urządzenia krzemowe. W rezultacie brak przewodności cieplnej ogranicza możliwość kurczenia się urządzeń GaN podczas pracy z dużą mocą (ponieważ do odprowadzenia ciepła potrzebne są duże kawałki materiału).

GaNpięta achillesowa – brak typu P

Wspaniale jest mieć półprzewodniki, które mogą pracować z dużą mocą i wysokimi częstotliwościami, ale pomimo wszystkich zalet, jakie oferuje GaN, istnieje jedna główna wada, która poważnie utrudnia jego zdolność do zastąpienia krzemu w wielu zastosowaniach: brak typów P.

Prawdopodobnie jednym z głównych celów tych nowo odkrytych materiałów jest radykalne zwiększenie wydajności i obsługa wyższej mocy i napięcia, i nie ma wątpliwości, że obecne tranzystory GaN mogą to osiągnąć. Jednakże, chociaż pojedyncze tranzystory GaN oferują imponujące właściwości, fakt, że wszystkie obecne komercyjne urządzenia GaN są typu N, pogarsza ich zdolność do ekstremalnej wydajności.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, musimy przyjrzeć się działaniu logiki NMOS i CMOS. Logika NMOS była technologią bardzo popularną w latach 70. i 80. XX wieku ze względu na prosty proces produkcyjny i konstrukcję. Dzięki zastosowaniu pojedynczego rezystora podłączonego pomiędzy zasilaniem a drenem tranzystora MOS typu N, bramka tego tranzystora jest w stanie kontrolować napięcie na drenie tranzystora MOS, skutecznie realizując działanie bez bramki. W połączeniu z innymi tranzystorami NMOS możliwe jest utworzenie wszystkich elementów logicznych, w tym AND, OR, XOR i zatrzasków.

Jednakże, chociaż technika ta jest prosta, do zapewnienia zasilania wykorzystuje się rezystory, co oznacza, że ​​gdy włączone są tranzystory NMOS, na rezystorach marnuje się dużo energii. W przypadku pojedynczej bramki strata mocy jest minimalna, ale może wzrosnąć podczas skalowania do małych 8-bitowych procesorów, co może nagrzewać urządzenie i ograniczać liczbę aktywnych urządzeń w jednym chipie.