Výhody a nevýhody aplikací nitridu galia (GaN).

Zatímco svět hledá nové příležitosti v oblasti polovodičů,nitrid gallianadále vystupuje jako potenciální kandidát pro budoucí energetické a RF aplikace. Přes všechny výhody, které nabízí, však stále čelí velké výzvě; neexistují žádné produkty typu P (typ P). Proč je GaN nabízen jako další hlavní polovodičový materiál, proč je nedostatek zařízení GaN typu P hlavní nevýhodou a co to znamená pro budoucí návrhy?

V elektronice od doby, kdy se první elektronická zařízení dostala na trh, přetrvaly čtyři skutečnosti: musí být co nejmenší, nejlevnější, poskytovat co nejvíce energie a spotřebovávat co nejméně energie. Vzhledem k tomu, že tyto požadavky si často protiřečí, je pokus o vytvoření dokonalého elektronického zařízení, které dokáže splnit tyto čtyři požadavky, tak trochu snem, ale to inženýrům nezabránilo udělat vše, co je v jejich silách, aby se to stalo.

Pomocí těchto čtyř hlavních principů se inženýrům podařilo splnit řadu zdánlivě nemožných úkolů, přičemž počítače se zmenšily ze zařízení o velikosti místnosti na čipy menší než zrnko rýže, chytré telefony, které umožňují bezdrátovou komunikaci a přístup k internetu, a systémy virtuální reality. které lze nyní nosit a používat nezávisle na hostitelském počítači. Jak se však inženýři blíží fyzikálním limitům běžně používaných materiálů, jako je křemík, zmenšování zařízení a spotřebovávání méně energie se nyní stává nemožným.

Výsledkem je, že výzkumníci neustále hledají nové materiály, které by mohly být schopny nahradit takové běžné materiály a nadále poskytovat menší zařízení, která fungují efektivněji. Nitrid galia (GaN) je materiál, který ve srovnání s křemíkem ze zřejmých důvodů přitahuje velkou pozornost.

GaNvynikající účinnost

Za prvé, GaN vede elektřinu 1000krát efektivněji než křemík, což mu umožňuje pracovat při vyšších proudech. To znamená, že zařízení GaN mohou běžet s výrazně vyšším výkonem, aniž by generovaly velké množství tepla, a lze je tedy při stejném daném výkonu zmenšit.

Ačkoli je tepelná vodivost GaN o něco nižší než u křemíku, jeho výhody tepelného managementu otevírají nové možnosti pro elektroniku s vysokým výkonem. To je zvláště důležité pro aplikace, kde je prostor na prvním místě a je třeba minimalizovat řešení chlazení, jako je letecká a automobilová elektronika, a schopnost zařízení GaN udržovat výkon při vysokých teplotách dále zdůrazňuje jejich potenciál pro aplikace v drsném prostředí.

Za druhé, větší bandgap GaN (3,4 eV vs. 1,1 eV) umožňuje použití při vyšších napětích před dielektrickým průrazem. Výsledkem je, že GaN je nejen schopen dodat více energie, ale může tak činit při vyšším napětí při zachování vyšší účinnosti.

Vysoká mobilita elektronů také umožňuje použití GaN na vyšších frekvencích. Tento faktor činí GaN kritickým pro aplikace RF napájení, které pracují vysoko nad rozsahem GHz (něco, s čím křemík bojuje).

Křemík je však z hlediska tepelné vodivosti o něco lepší než GaN, což znamená, že zařízení GaN mají větší tepelné požadavky než zařízení křemíková. V důsledku toho nedostatek tepelné vodivosti omezuje schopnost smršťování zařízení GaN při provozu s vysokým výkonem (protože k rozptýlení tepla jsou potřeba velké kusy materiálu).

GaNAchillova pata – žádný P-Type

Je skvělé mít polovodiče, které mohou pracovat s vysokým výkonem při vysokých frekvencích, ale přes všechny výhody, které GaN nabízí, je tu jedna velká nevýhoda, která vážně omezuje jeho schopnost nahradit křemík v mnoha aplikacích: nedostatek P-typů.

Pravděpodobně jedním z hlavních cílů těchto nově objevených materiálů je dramaticky zvýšit účinnost a podporovat vyšší výkon a napětí a není pochyb o tom, že současné tranzistory GaN toho mohou dosáhnout. I když jednotlivé tranzistory GaN nabízejí některé působivé vlastnosti, skutečnost, že všechna současná komerční zařízení GaN jsou typu N, ohrožuje jejich schopnost být extrémně efektivní.

Abychom pochopili, proč tomu tak je, musíme se podívat na to, jak funguje logika NMOS a CMOS. NMOS logika byla velmi populární technologie v 70. a 80. letech 20. století díky jednoduchému výrobnímu procesu a designu. Použitím jediného rezistoru připojeného mezi napájecí zdroj a kolektor MOS tranzistoru typu N je hradlo tohoto tranzistoru schopno řídit napětí na kolektoru MOS tranzistoru a účinně implementovat nebráno. V kombinaci s dalšími NMOS tranzistory je možné vytvořit všechny logické komponenty, včetně AND, OR, XOR a západek.

Ačkoli je tato technika jednoduchá, používá k zajištění napájení rezistory, což znamená, že při zapnutých tranzistorech NMOS se na rezistory plýtvá spousta energie. U jedné brány je tato ztráta energie minimální, ale může se zvýšit při škálování na malé 8bitové CPU, což může zařízení zahřívat a omezit počet aktivních zařízení na jednom čipu.