Galio nitrido (GaN) taikymo privalumai ir trūkumai

Pasauliui ieškant naujų galimybių puslaidininkiuose,galio nitridasir toliau išsiskiria kaip potencialus kandidatas ateities energijos ir radijo dažnių programoms. Tačiau nepaisant visų jo teikiamų privalumų, jis vis dar susiduria su dideliu iššūkiu; nėra P tipo (P tipo) gaminių. Kodėl GaN reklamuojamas kaip kita pagrindinė puslaidininkinė medžiaga, kodėl P tipo GaN įrenginių trūkumas yra didelis trūkumas ir ką tai reiškia būsimiems projektams?

Elektronikoje nuo pat pirmųjų elektroninių prietaisų pasirodymo rinkoje išliko keturi faktai: jie turi būti kuo mažesni, kuo pigesni, tiekti kuo daugiau energijos ir vartoti kuo mažiau energijos. Atsižvelgiant į tai, kad šie reikalavimai dažnai prieštarauja vienas kitam, bandymas sukurti tobulą elektroninį įrenginį, kuris atitiktų šiuos keturis reikalavimus, yra šiek tiek svajonė, tačiau tai nesutrukdė inžinieriams padaryti viską, ką gali, kad tai įvyktų.

Naudodami šiuos keturis pagrindinius principus, inžinieriams pavyko atlikti įvairias, atrodytų, neįmanomų užduočių: kompiuteriai susitraukė nuo kambario dydžio įrenginių iki mažesnių už ryžio grūdą lustų, išmaniųjų telefonų, leidžiančių belaidį ryšį ir prieigą prie interneto, ir virtualios realybės sistemas. kuriuos dabar galima nešioti ir naudoti nepriklausomai nuo pagrindinio kompiuterio. Tačiau inžinieriams artėjant prie fizinių dažniausiai naudojamų medžiagų, tokių kaip silicis, ribos, dabar tampa neįmanoma sumažinti prietaisų ir naudoti mažiau energijos.

Todėl mokslininkai nuolat ieško naujų medžiagų, kurios galėtų pakeisti tokias įprastas medžiagas ir toliau teikti mažesnius įrenginius, kurie veiktų efektyviau. Galio nitridas (GaN) yra viena medžiaga, kuri dėl akivaizdžių priežasčių sulaukė daug dėmesio, palyginti su siliciu.

GaNdidesnis efektyvumas

Pirma, GaN praleidžia elektrą 1000 kartų efektyviau nei silicis, todėl gali veikti didesnėmis srovėmis. Tai reiškia, kad „GaN“ įrenginiai gali veikti žymiai didesne galia nesukurdami daug šilumos, todėl gali būti mažesni už tą pačią galią.

Nors GaN šilumos laidumas yra šiek tiek mažesnis nei silicio, jo šilumos valdymo pranašumai atveria naujas galimybes didelės galios elektronikai. Tai ypač svarbu tais atvejais, kai vietos yra labai daug, o aušinimo sprendimus reikia sumažinti, pvz., aviacijos ir automobilių elektronikos įrenginius, o GaN įrenginių gebėjimas išlaikyti našumą esant aukštai temperatūrai dar labiau pabrėžia jų potencialą naudoti atšiaurioje aplinkoje.

Antra, didesnis GaN pralaidumas (3,4 eV palyginti su 1,1 eV) leidžia naudoti aukštesnę įtampą prieš dielektrinį suskaidymą. Dėl to GaN ne tik gali tiekti daugiau galios, bet gali tai padaryti esant aukštesnei įtampai, išlaikant didesnį efektyvumą.

Didelis elektronų mobilumas taip pat leidžia GaN naudoti aukštesniuose dažniuose. Dėl šio veiksnio GaN yra labai svarbus RF galios programoms, kurios veikia gerokai virš GHz diapazono (su tuo susiduria silicis).

Tačiau silicis yra šiek tiek geresnis nei GaN pagal šilumos laidumą, o tai reiškia, kad GaN įrenginiams keliami didesni šilumos reikalavimai nei silicio įrenginiams. Dėl to šilumos laidumo trūkumas riboja galimybę susitraukti GaN įrenginius, kai jie veikia dideliu galingumu (nes šilumai išsklaidyti reikia didelių medžiagos gabalų).

GaNAchilo kulnas – nėra P tipo

Puiku turėti puslaidininkius, kurie gali veikti didele galia ir aukštais dažniais, tačiau nepaisant visų GaN teikiamų pranašumų, yra vienas didelis trūkumas, kuris labai apsunkina jo galimybes pakeisti silicį daugelyje programų: P tipų trūkumas.

Galima teigti, kad vienas iš pagrindinių šių naujai atrastų medžiagų tikslų yra žymiai padidinti efektyvumą ir palaikyti didesnę galią bei įtampą, ir neabejotina, kad dabartiniai GaN tranzistoriai gali tai pasiekti. Tačiau nors atskiri GaN tranzistoriai pasižymi įspūdingomis savybėmis, tai, kad visi dabartiniai komerciniai GaN įrenginiai yra N tipo, kenkia jų gebėjimui būti itin efektyviems.

Norėdami suprasti, kodėl taip yra, turime pažvelgti į tai, kaip veikia NMOS ir CMOS logika. NMOS logika buvo labai populiari technologija aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose dėl savo paprasto gamybos proceso ir dizaino. Naudojant vieną rezistorių, sujungtą tarp N tipo MOS tranzistoriaus maitinimo šaltinio ir nutekėjimo, to tranzistoriaus užtvaras gali valdyti įtampą MOS tranzistoriaus nutekėjime, efektyviai įgyvendindamas ne užtvarą. Sujungus su kitais NMOS tranzistoriais, galima sukurti visus loginius komponentus, įskaitant AND, OR, XOR ir skląsčius.

Tačiau, nors ši technika yra paprasta, maitinimui tiekti naudojami rezistoriai, o tai reiškia, kad įjungus NMOS tranzistorius, daug energijos išeikvojama rezistoriams. Vieniems vartams šis galios nuostolis yra minimalus, bet gali padidėti, kai keičiamas mažų 8 bitų procesorių, kurie gali įkaitinti įrenginį ir apriboti aktyvių įrenginių skaičių viename luste.