Fatalna wada GaN

Podczas gdy świat poszukuje nowych możliwości w dziedzinie półprzewodników,Azotek Galu (GaN)nadal wyróżnia się jako potencjalny kandydat do przyszłych zastosowań w energetyce i częstotliwościach radiowych. Jednak pomimo licznych zalet GaN stoi przed poważnym wyzwaniem: brakiem produktów typu P. DlaczegoGaNokrzyknięty kolejnym ważnym materiałem półprzewodnikowym, dlaczego brak urządzeń GaN typu P jest krytyczną wadą i co to oznacza dla przyszłych projektów?

DlaczegoGaNOkrzyknięty kolejnym ważnym materiałem półprzewodnikowym?

W dziedzinie elektroniki od czasu pojawienia się pierwszych urządzeń elektronicznych na rynku nie zmieniły się cztery fakty: muszą być możliwie najmniejsze, możliwie najtańsze, zapewniać jak największą moc i zużywać jak najmniej energii. Biorąc pod uwagę, że wymagania te często są ze sobą sprzeczne, próba stworzenia idealnego urządzenia elektronicznego spełniającego wszystkie cztery wymagania wydaje się marzeniem. Nie powstrzymuje to jednak inżynierów od dążenia do osiągnięcia tego celu.

Wykorzystując te cztery zasady przewodnie, inżynierom udało się wykonać szereg pozornie niemożliwych zadań. Komputery skurczyły się z maszyn wielkości pomieszczenia do chipów mniejszych niż ziarnko ryżu, smartfony umożliwiają obecnie komunikację bezprzewodową i dostęp do Internetu, a systemy rzeczywistości wirtualnej można teraz nosić i używać niezależnie od hosta. Jednak 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 coraz większym wyzwaniem.

W związku z tym badacze nieustannie poszukują nowych materiałów, które mogłyby potencjalnie zastąpić takie powszechne materiały, i w dalszym ciągu oferują mniejsze, bardziej wydajne urządzenia.Azotek Galu (GaN)to jeden z takich materiałów, który wzbudził duże zainteresowanie, a powody są oczywiste w porównaniu z krzemem.

Co sprawiaazotek galuWyjątkowo wydajny?

Po pierwsze, przewodność elektryczna GaN jest 1000 razy wyższa niż krzemu, co umożliwia mu pracę przy wyższych prądach. To oznaczaGaNurządzenia mogą pracować przy znacznie wyższych poziomach mocy bez wytwarzania nadmiernego ciepła, co pozwala na ich zmniejszenie dla danej mocy wyjściowej.

Pomimo nieco niższej przewodności cieplnej GaN w porównaniu z krzemem, jego zalety w zakresie zarządzania ciepłem torują drogę nowym możliwościom w elektronice dużej mocy. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach, w których przestrzeń jest na wagę złota, a rozwiązania chłodzące muszą być zminimalizowane, np. w lotnictwie i elektronice samochodowej.GaNZdolność urządzeń do utrzymywania wydajności w wysokich temperaturach dodatkowo podkreśla ich potencjał w trudnych zastosowaniach środowiskowych.

Po drugie, większe pasmo wzbronione GaN (3,4 eV w porównaniu do 1,1 eV) pozwala na stosowanie go przy wyższych napięciach przed przebiciem dielektryka. Więc,GaNnie tylko oferuje większą moc, ale może również pracować przy wyższych napięciach przy zachowaniu wyższej wydajności.

Pozwala na to również wysoka ruchliwość elektronówGaNdo stosowania przy wyższych częstotliwościach. Czynnik ten sprawia, że ​​GaN jest niezbędny w zastosowaniach mocy RF, które działają znacznie powyżej zakresu GHz, z którym krzem ma trudności. Jednak pod względem przewodności cieplnej krzem nieznacznie przewyższaGaN, co oznacza, że ​​urządzenia GaN mają większe wymagania termiczne w porównaniu do urządzeń krzemowych. W rezultacie brak przewodności cieplnej ogranicza możliwość miniaturyzacjiGaNurządzenia do pracy z dużą mocą, ponieważ do odprowadzenia ciepła potrzebne są większe ilości materiału.

Na czym polega fatalna wadaGaN—Brak typu P?

Posiadanie półprzewodnika zdolnego do pracy przy dużej mocy i wysokich częstotliwościach jest doskonałe. Jednak pomimo wszystkich swoich zalet, GaN ma jedną zasadniczą wadę, która poważnie utrudnia jego zdolność do zastąpienia krzemu w wielu zastosowaniach: brak urządzeń GaN typu P.

Jednym z głównych celów tych nowo odkrytych materiałów jest znaczna poprawa wydajności oraz obsługa wyższych mocy i napięć, a nie ma wątpliwości, że prądGaNtranzystory mogą to osiągnąć. Jednakże, chociaż pojedyncze tranzystory GaN rzeczywiście mogą zapewnić imponujące właściwości, fakt, że wszystkie obecne komercyjneGaNurządzenia typu N wpływa na ich wydajność.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, musimy przyjrzeć się działaniu logiki NMOS i CMOS. Ze względu na prosty proces produkcyjny i konstrukcję logika NMOS była bardzo popularną technologią w latach 70. i 80. XX wieku. Używając pojedynczego rezystora podłączonego pomiędzy zasilaniem a drenem tranzystora MOS typu N, bramka tego tranzystora może kontrolować napięcie drenu tranzystora MOS, skutecznie realizując bramkę NOT. W połączeniu z innymi tranzystorami NMOS można tworzyć wszystkie elementy logiczne, w tym AND, OR, XOR i zatrzaski.

Jednakże, choć technologia ta jest prosta, do zapewnienia zasilania wykorzystuje się rezystory. Oznacza to, że gdy tranzystory NMOS przewodzą, znaczna ilość energii jest marnowana na rezystorach. W przypadku pojedynczej bramki ta strata mocy jest minimalna, ale po przeskalowaniu do małego 8-bitowego procesora ta strata mocy może się kumulować, nagrzewając urządzenie i ograniczając liczbę aktywnych komponentów w pojedynczym chipie.

Jak technologia NMOS ewoluowała do formatu CMOS?

Z drugiej strony CMOS wykorzystuje tranzystory typu P i N, które działają synergicznie w przeciwny sposób. Niezależnie od stanu wejściowego bramki logicznej CMOS, wyjście bramki nie pozwala na połączenie zasilania z masą, co znacznie zmniejsza straty mocy (podobnie jak wtedy, gdy typ N przewodzi, typ P izoluje i odwrotnie). W rzeczywistości jedyna rzeczywista utrata mocy w obwodach CMOS ma miejsce podczas przejść między stanami, kiedy przejściowe połączenie między zasilaniem a masą tworzone jest poprzez uzupełniające się pary.

Wracając doGaNurządzeń, ponieważ obecnie istnieją tylko urządzenia typu N, co stanowi jedyną dostępną technologięGaNto NMOS, który z natury jest energochłonny. Nie stanowi to problemu w przypadku wzmacniaczy RF, ale jest to główna wada obwodów logicznych.

Ponieważ globalne zużycie energii stale rośnie, a wpływ technologii na środowisko jest dokładnie badany, dążenie do efektywności energetycznej w elektronice stało się ważniejsze niż kiedykolwiek. Ograniczenia zużycia energii technologii NMOS podkreślają pilną potrzebę przełomowych materiałów półprzewodnikowych, aby zapewnić wysoką wydajność i wysoką efektywność energetyczną. Rozwój typu PGaNlub alternatywne technologie uzupełniające mogłyby stanowić kamień milowy w tych poszukiwaniach, potencjalnie rewolucjonizując projektowanie energooszczędnych urządzeń elektronicznych.

Co ciekawe, całkowicie możliwa jest produkcja typu PGaNurządzeń i zostały one wykorzystane w źródłach niebieskiego światła LED, w tym Blu-ray. Jednakże, chociaż urządzenia te są wystarczające do spełnienia wymagań optoelektronicznych, daleko im do ideału do zastosowań w logice cyfrowej i energetyce. Na przykład jedyna praktyczna domieszka do produkcji typu PGaNurządzeniami jest magnez, ale ze względu na wymagane wysokie stężenie wodór może łatwo przedostać się do struktury podczas wyżarzania, wpływając na właściwości materiału.

Dlatego brak typu PGaNurządzeń uniemożliwia inżynierom pełne wykorzystanie potencjału GaN jako półprzewodnika.

Co to oznacza dla przyszłych inżynierów?

Obecnie bada się wiele materiałów, a kolejnym głównym kandydatem jest węglik krzemu (SiC). Tak jakGaNw porównaniu do krzemu oferuje wyższe napięcie robocze, większe napięcie przebicia i lepszą przewodność. Dodatkowo jego wysoka przewodność cieplna pozwala na stosowanie go w ekstremalnych temperaturach i znacznie mniejszych rozmiarach przy jednoczesnej kontroli większej mocy.

Jednak w przeciwieństwieGaN, SiC nie nadaje się do wysokich częstotliwości, co oznacza, że ​​jest mało prawdopodobne, aby był używany w zastosowaniach RF. Dlatego,GaNpozostaje preferowanym wyborem dla inżynierów chcących stworzyć wzmacniacze o małej mocy. Jednym z rozwiązań problemu typu P jest połączenieGaNz krzemowymi tranzystorami MOS typu P. Chociaż zapewnia to uzupełniające się możliwości, z natury ogranicza częstotliwość i wydajność GaN.

W miarę postępu technologii badacze mogą w końcu znaleźć typ PGaNurządzeń lub urządzeń uzupełniających wykorzystujących różne technologie, które można łączyć z GaN. Jednak zanim nadejdzie ten dzień,GaNnadal będą ograniczani przez ograniczenia technologiczne naszych czasów.

Interdyscyplinarny charakter badań nad półprzewodnikami, obejmujący materiałoznawstwo, elektrotechnikę i fizykę, podkreśla wspólne wysiłki niezbędne do przezwyciężenia obecnych ograniczeńGaNtechnologia. Potencjalne przełomy w rozwoju typu PGaNlub znalezienie odpowiednich materiałów uzupełniających mogłoby nie tylko zwiększyć wydajność urządzeń opartych na GaN, ale także przyczynić się do szerszego rozwoju technologii półprzewodników, torując drogę dla bardziej wydajnych, kompaktowych i niezawodnych systemów elektronicznych w przyszłości.**

W Semicorex produkujemy i dostarczamyPłytki GaN Epi i inne rodzaje płytekstosowane w produkcji półprzewodników. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Telefon kontaktowy: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com