Prednosti in slabosti uporabe galijevega nitrida (GaN).

Medtem ko svet išče nove priložnosti v polprevodnikih,galijev nitridše naprej izstopa kot potencialni kandidat za prihodnje energetske in RF aplikacije. Vendar se kljub vsem prednostim, ki jih ponuja, še vedno sooča z velikim izzivom; ni izdelkov tipa P (tip P). Zakaj se GaN oglašuje kot naslednji večji polprevodniški material, zakaj je pomanjkanje naprav tipa P GaN velika pomanjkljivost in kaj to pomeni za prihodnje modele?

V elektroniki so štiri dejstva, odkar so prišle na trg prve elektronske naprave: biti morajo čim manjše, čim cenejše, zagotavljati morajo čim več energije in porabiti morajo čim manj energije. Glede na to, da si te zahteve pogosto nasprotujejo, so poskusi izdelave popolne elektronske naprave, ki lahko izpolni te štiri zahteve, le sanje, vendar to ni preprečilo inženirjem, da bi storili vse, kar je v njihovi moči, da bi to uresničili.

Z uporabo teh štirih vodilnih načel je inženirjem uspelo opraviti vrsto na videz nemogočih nalog, z računalniki, ki so se z naprav v velikosti sobe zmanjšali na čipe, manjše od riževega zrna, s pametnimi telefoni, ki omogočajo brezžično komunikacijo in dostop do interneta, in sistemi navidezne resničnosti. ki jih je zdaj mogoče nositi in uporabljati neodvisno od gostiteljskega računalnika. Ker pa se inženirji približujejo fizikalnim omejitvam običajno uporabljenih materialov, kot je silicij, postaja manjše naprave in manjša poraba energije zdaj nemogoče.

Posledično raziskovalci nenehno iščejo nove materiale, ki bi morda lahko nadomestili tako običajne materiale in še naprej zagotavljali manjše naprave, ki delujejo učinkoviteje. Galijev nitrid (GaN) je material, ki je v primerjavi s silicijem iz očitnih razlogov pritegnil veliko pozornosti.

GaNvrhunska učinkovitost

Prvič, GaN prevaja elektriko 1000-krat bolj učinkovito kot silicij, kar mu omogoča delovanje pri višjih tokovih. To pomeni, da lahko GaN naprave delujejo z znatno večjo močjo, ne da bi pri tem proizvedle veliko toplote, in jih je zato mogoče narediti manjše za isto dano moč.

Čeprav je toplotna prevodnost GaN nekoliko nižja od silicijeve, njegove prednosti upravljanja toplote odpirajo nove poti za elektroniko visoke moči. To je še posebej pomembno za aplikacije, kjer je prostor omejen in je treba čim bolj zmanjšati hladilne rešitve, kot sta vesoljska in avtomobilska elektronika, zmožnost naprav GaN, da ohranijo učinkovitost pri visokih temperaturah, pa dodatno poudarja njihov potencial za uporabo v težkih okoljih.

Drugič, večji pasovni razmik GaN (3,4 eV proti 1,1 eV) omogoča uporabo pri višjih napetostih pred razpadom dielektrika. Posledica tega je, da GaN ni sposoben samo zagotavljati več moči, ampak lahko to stori pri višjih napetostih, hkrati pa ohranja večjo učinkovitost.

Visoka mobilnost elektronov omogoča tudi uporabo GaN pri višjih frekvencah. Zaradi tega dejavnika je GaN kritičen za aplikacije za RF napajanje, ki delujejo precej nad območjem GHz (nekaj, s čimer se bori silicij).

Vendar pa je silicij nekoliko boljši od GaN glede toplotne prevodnosti, kar pomeni, da imajo GaN naprave večje toplotne zahteve kot silicijeve naprave. Zaradi tega pomanjkanje toplotne prevodnosti omejuje zmožnost krčenja GaN naprav, ko delujejo pri visoki moči (ker so za odvajanje toplote potrebni veliki kosi materiala).

GaNAhilova peta - brez P-tipa

Čudovito je imeti polprevodnike, ki lahko delujejo z veliko močjo pri visokih frekvencah, a kljub vsem prednostim, ki jih ponuja GaN, obstaja ena glavna pomanjkljivost, ki resno ovira njegovo zmožnost zamenjave silicija v številnih aplikacijah: pomanjkanje P-vrst.

Verjetno je eden od glavnih ciljev teh na novo odkritih materialov dramatično povečanje učinkovitosti in podpiranje višje moči in napetosti, in ni dvoma, da trenutni GaN tranzistorji lahko to dosežejo. Čeprav posamezni tranzistorji GaN ponujajo nekaj impresivnih lastnosti, dejstvo, da so vse trenutne komercialne naprave GaN tipa N, ogroža njihovo sposobnost, da so izjemno učinkoviti.

Da bi razumeli, zakaj je tako, moramo pogledati, kako delujeta logika NMOS in CMOS. Logika NMOS je bila zelo priljubljena tehnologija v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja zaradi preprostega proizvodnega procesa in zasnove. Z uporabo enega samega upora, povezanega med napajanjem in odvodom tranzistorja MOS tipa N, lahko vrata tega tranzistorja nadzorujejo napetost na odtoku tranzistorja MOS, kar učinkovito izvaja ne-vrata. V kombinaciji z drugimi tranzistorji NMOS je mogoče ustvariti vse logične komponente, vključno z IN, ALI, XOR in zapahi.

Čeprav je ta tehnika preprosta, za zagotavljanje energije uporablja upore, kar pomeni, da se veliko energije porabi za upore, ko so tranzistorji NMOS vključeni. Za ena vrata je ta izguba energije minimalna, vendar se lahko poveča pri skaliranju na majhne 8-bitne procesorje, kar lahko segreje napravo in omeji število aktivnih naprav na enem čipu.