Lemtingas GaN trūkumas

Pasauliui ieškant naujų galimybių puslaidininkių srityje,Galio nitridas (GaN)ir toliau išsiskiria kaip potencialus kandidatas ateities energijos ir radijo dažnių programoms. Tačiau, nepaisant daugybės pranašumų, GaN susiduria su dideliu iššūkiu: P tipo produktų nebuvimu. Kodėl yraGaNbuvo paskelbta kita pagrindine puslaidininkine medžiaga, kodėl P tipo GaN įrenginių trūkumas yra esminis trūkumas ir ką tai reiškia būsimiems projektams?

Kodėl yraGaNPasveikinta kaip kita pagrindinė puslaidininkinė medžiaga?

Elektronikos srityje nuo pirmųjų elektroninių prietaisų pasirodymo rinkoje išliko keturi faktai: jie turi būti kuo mažesni, kuo pigesni, siūlyti kuo daugiau galios ir vartoti kuo mažiau energijos. Atsižvelgiant į tai, kad šie reikalavimai dažnai prieštarauja vienas kitam, bandymas sukurti tobulą elektroninį įrenginį, atitinkantį visus keturis reikalavimus, atrodo kaip svajonė. Tačiau tai nesutrukdė inžinieriams to siekti.

Naudodami šiuos keturis pagrindinius principus, inžinieriai sugebėjo atlikti daugybę, atrodytų, neįmanomų užduočių. Kompiuteriai susitraukė nuo kambario dydžio mašinų iki lustų, mažesnių už ryžio grūdą, išmanieji telefonai dabar suteikia belaidį ryšį ir prieigą prie interneto, o virtualios realybės sistemas dabar galima nešioti ir naudoti nepriklausomai nuo pagrindinio kompiuterio. Tačiau inžinieriams artėjant prie dažniausiai naudojamų medžiagų, pvz., silicio, fizinių ribų, padaryti įrenginius mažesnius ir sunaudojančius mažiau energijos tampa vis sunkiau.

Todėl mokslininkai nuolat ieško naujų medžiagų, kurios galėtų pakeisti tokias įprastas medžiagas ir toliau siūlyti mažesnius, efektyvesnius įrenginius.Galio nitridas (GaN)yra viena iš tokių medžiagų, kuri sulaukė didelio dėmesio, o priežastys akivaizdžios lyginant su siliciu.

Kas daroGalio nitridasIšskirtinai efektyvus?

Pirma, GaN elektrinis laidumas yra 1000 kartų didesnis nei silicio, todėl jis gali veikti didesnėmis srovėmis. Tai reiškiaGaNprietaisai gali veikti žymiai didesniu galios lygiu nesukeldami per daug šilumos, todėl juos galima sumažinti esant tam tikrai galiai.

Nepaisant šiek tiek mažesnio GaN šilumos laidumo, palyginti su siliciu, jo šilumos valdymo pranašumai atveria kelią naujoms didelės galios elektronikos galimybėms. Tai ypač svarbu tais atvejais, kai vietos yra labai daug, o aušinimo sprendimus reikia sumažinti iki minimumo, pavyzdžiui, aviacijos ir automobilių elektronikos srityse.GaNprietaisų gebėjimas išlaikyti našumą aukštoje temperatūroje dar labiau išryškina jų potencialą atšiaurioje aplinkoje.

Antra, didesnis GaN juostos tarpas (3,4 eV, palyginti su 1,1 eV) leidžia jį naudoti esant aukštesnei įtampai prieš dielektrinį suskaidymą. Vadinasi,GaNne tik siūlo didesnę galią, bet ir gali veikti esant aukštesnei įtampai, išlaikant didesnį efektyvumą.

Taip pat leidžia didelis elektronų mobilumasGaNnaudoti aukštesniais dažniais. Dėl šio veiksnio GaN yra būtinas radijo dažnių galios programoms, kurios veikia gerokai virš GHz diapazono, kurį siliciui sunku valdyti. Tačiau pagal šilumos laidumą silicis šiek tiek lenkiaGaN, tai reiškia, kad GaN įrenginiai turi didesnius šilumos reikalavimus, palyginti su silicio įrenginiais. Dėl to šilumos laidumo trūkumas riboja galimybę miniatiūrizuotiGaNprietaisai, skirti didelės galios operacijoms, nes šilumai išsklaidyti reikia didesnių medžiagų kiekių.

Kas yra lemtingas trūkumasGaN– Trūksta P tipo?

Puiku turėti puslaidininkį, galintį veikti didele galia ir aukštais dažniais. Tačiau, nepaisant visų savo pranašumų, GaN turi vieną didelį trūkumą, kuris rimtai trukdo jo gebėjimui pakeisti silicį daugelyje programų: P tipo GaN įrenginių trūkumas.

Vienas iš pagrindinių šių naujai atrastų medžiagų tikslų yra žymiai pagerinti efektyvumą ir palaikyti didesnę galią bei įtampą, ir neabejotina, kad srovėGaNtranzistoriai gali tai pasiekti. Tačiau, nors atskiri GaN tranzistoriai iš tiesų gali suteikti keletą įspūdingų savybių, faktas, kad visos dabartinės komercinėsGaNprietaisai yra N tipo, turi įtakos jų efektyvumui.

Norėdami suprasti, kodėl taip yra, turime pažvelgti į tai, kaip veikia NMOS ir CMOS logika. Dėl paprasto gamybos proceso ir dizaino NMOS logika buvo labai populiari technologija aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose. Naudojant vieną rezistorių, prijungtą tarp maitinimo šaltinio ir N tipo MOS tranzistoriaus nutekėjimo, šio tranzistoriaus užtvaras gali valdyti MOS tranzistoriaus nutekėjimo įtampą, efektyviai įgyvendindamas NOT užtvarą. Sujungus su kitais NMOS tranzistoriais, galima sukurti visus loginius elementus, įskaitant AND, OR, XOR ir skląsčius.

Tačiau, nors ši technologija yra paprasta, joje naudojami rezistoriai, kad užtikrintų maitinimą. Tai reiškia, kad kai veikia NMOS tranzistoriai, didelė dalis galios eikvojama rezistoriams. Atskiriems vartams šis galios nuostolis yra minimalus, tačiau padidinus iki mažo 8 bitų procesoriaus, šis galios nuostolis gali kauptis, šildyti įrenginį ir apriboti aktyvių komponentų skaičių viename luste.

Kaip NMOS technologija išsivystė į CMOS?

Kita vertus, CMOS naudoja P tipo ir N tipo tranzistorius, kurie veikia sinergiškai priešingai. Nepriklausomai nuo CMOS loginių vartų įvesties būsenos, vartų išvestis neleidžia jungtis nuo maitinimo iki žemės, o tai žymiai sumažina galios nuostolius (kaip ir tada, kai N tipo laidai, P tipo izoliuoja ir atvirkščiai). Tiesą sakant, vienintelis realus galios praradimas CMOS grandinėse atsiranda per būsenos perėjimus, kai trumpalaikis ryšys tarp maitinimo ir žemės susidaro per papildomas poras.

Grįžtant prieGaNprietaisai, nes šiuo metu egzistuoja tik N tipo įrenginiai, vienintelė turima technologijaGaNyra NMOS, kuri iš prigimties reikalauja energijos. Tai nėra problema RF stiprintuvams, tačiau tai yra pagrindinis loginių grandinių trūkumas.

Kadangi pasaulinis energijos suvartojimas ir toliau didėja, o technologijų poveikis aplinkai yra atidžiai išnagrinėtas, elektronikos energijos vartojimo efektyvumo siekimas tapo svarbesnis nei bet kada anksčiau. NMOS technologijos energijos suvartojimo apribojimai pabrėžia, kad reikia skubiai patobulinti puslaidininkines medžiagas, kad būtų užtikrintas didelis našumas ir didelis energijos vartojimo efektyvumas. P tipo vystymasisGaNarba alternatyvios papildomos technologijos galėtų būti reikšmingas šio ieškojimo etapas, galintis pakeisti energiją taupančių elektroninių prietaisų dizainą.

Įdomu tai, kad visiškai įmanoma pagaminti P tipoGaNįrenginiuose, ir jie buvo naudojami mėlynuose LED šviesos šaltiniuose, įskaitant „Blu-ray“. Tačiau, nors šių įrenginių pakanka optoelektroniniams reikalavimams, jie toli gražu nėra idealūs skaitmeninei logikai ir galios programoms. Pavyzdžiui, vienintelis praktiškas priedas P tipo gamybaiGaNprietaisai yra magnio, tačiau dėl reikiamos didelės koncentracijos vandenilis gali lengvai patekti į struktūrą atkaitinimo metu, o tai turi įtakos medžiagos veikimui.

Todėl P tipo nebuvimasGaNįrenginiai neleidžia inžinieriams visiškai išnaudoti GaN kaip puslaidininkio potencialo.

Ką tai reiškia būsimiems inžinieriams?

Šiuo metu tiriama daug medžiagų, o kitas svarbus kandidatas yra silicio karbidas (SiC). PatinkaGaN, palyginti su siliciu, jis siūlo didesnę darbinę įtampą, didesnę gedimo įtampą ir geresnį laidumą. Be to, dėl didelio šilumos laidumo jį galima naudoti esant ekstremalioms temperatūroms ir žymiai mažesniems dydžiams, tuo pačiu valdant didesnę galią.

Tačiau, skirtingai neiGaN, SiC netinka aukštiems dažniams, tai reiškia, kad mažai tikėtina, kad jis bus naudojamas RF programoms. TodėlGaNtebėra pageidaujamas pasirinkimas inžinieriams, norintiems sukurti mažus galios stiprintuvus. Vienas iš P tipo problemos sprendimų yra derinimasGaNsu P tipo silicio MOS tranzistoriais. Nors tai suteikia papildomų galimybių, tai savaime riboja GaN dažnį ir efektyvumą.

Technologijoms tobulėjant, mokslininkai galiausiai gali rasti P tipoGaNprietaisai arba papildomi įrenginiai, naudojantys skirtingas technologijas, kurie gali būti derinami su GaN. Tačiau kol ateis ta diena,GaNir toliau bus varžomas mūsų laikų technologinių apribojimų.

Puslaidininkių tyrimų tarpdisciplininis pobūdis, apimantis medžiagų mokslą, elektros inžineriją ir fiziką, pabrėžia bendradarbiavimo pastangas, kurių reikia norint įveikti dabartinius apribojimus.GaNtechnologija. Galimi proveržiai kuriant P tipąGaNarba radus tinkamas papildomas medžiagas būtų galima ne tik pagerinti GaN pagrįstų įrenginių našumą, bet ir prisidėti prie platesnės puslaidininkių technologijos aplinkos, atveriant kelią efektyvesnėms, kompaktiškesnėms ir patikimesnėms elektroninėms sistemoms ateityje.**

Mes, Semicorex, gaminame ir tiekiameGaNEpi plokštelės ir kitų tipų plokštelėstaikomas puslaidininkių gamyboje, jei turite klausimų ar reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

Telefonas pasiteirauti: +86-13567891907

paštas: sales@semicorex.com