Предности и недостаци примене галијум нитрида (ГаН).

Док свет тражи нове могућности у полупроводницима,галијум нитриданаставља да се истиче као потенцијални кандидат за будуће апликације за напајање и РФ. Међутим, уз све предности које нуди, и даље се суочава са великим изазовом; нема производа П-типа (П-типа). Зашто се ГаН рекламира као следећи велики полупроводнички материјал, зашто је недостатак ГаН уређаја П-типа велики недостатак и шта то значи за будуће дизајне?

У електроници, четири чињенице опстају од када су први електронски уређаји изашли на тржиште: они треба да буду што мањи, што јефтинији, да обезбеђују што је могуће више енергије и да троше што је могуће мање енергије. Узимајући у обзир да су ови захтеви често у супротности једни са другима, покушај да се створи савршен електронски уређај који може да испуни ова четири захтева је прави сан, али то није спречило инжењере да учине све што могу да то остваре.

Користећи ова четири водећа принципа, инжењери су успели да остваре низ наизглед немогућих задатака, са рачунарима који су се смањили са уређаја величине собе на чипс мање од зрна пиринча, паметним телефонима који омогућавају бежичну комуникацију и приступ Интернету и системима виртуелне реалности који се сада може носити и користити независно од главног рачунара. Међутим, како се инжењери приближавају физичким границама најчешће коришћених материјала као што је силицијум, смањење уређаја и коришћење мање енергије сада постаје немогуће.

Као резултат тога, истраживачи стално траже нове материјале који би могли заменити такве уобичајене материјале и наставити да обезбеђују мање уређаје који раде ефикасније. Галијум нитрид (ГаН) је један од материјала који је привукао велику пажњу, у поређењу са силицијумом, из очигледних разлога.

ГаНсупериорна ефикасност

Прво, ГаН проводи електричну енергију 1.000 пута ефикасније од силицијума, што му омогућава да ради на већим струјама. То значи да ГаН уређаји могу да раде са знатно већом снагом без генерисања много топлоте, и на тај начин се могу учинити мањим за исту дату снагу.

Иако је топлотна проводљивост ГаН-а нешто нижа од силицијумске, његове предности управљања топлотом отварају нове путеве за електронику велике снаге. Ово је посебно важно за апликације где је простор на првом месту и решења за хлађење морају бити сведена на минимум, као што су ваздухопловна и аутомобилска електроника, а способност ГаН уређаја да одрже перформансе на високим температурама додатно наглашава њихов потенцијал за примене у тешким условима.

Друго, већи појас ГаН (3,4 еВ наспрам 1,1 еВ) омогућава употребу на вишим напонима пре пробоја диелектрика. Као резултат, ГаН не само да је способан да испоручи више снаге, већ то може учинити и на вишим напонима уз одржавање веће ефикасности.

Велика покретљивост електрона такође омогућава да се ГаН користи на вишим фреквенцијама. Овај фактор чини ГаН критичним за апликације РФ снаге које раде знатно изнад опсега ГХз (нешто са чим се силицијум бори).

Међутим, силицијум је нешто бољи од ГаН у погледу топлотне проводљивости, што значи да ГаН уређаји имају веће термичке захтеве од силицијумских уређаја. Као резултат тога, недостатак топлотне проводљивости ограничава могућност скупљања ГаН уређаја када раде на великој снази (јер су потребни велики комади материјала за расипање топлоте).

ГаН'с Ахилова пета - без П-типа

Сјајно је имати полупроводнике који могу да раде великом снагом на високим фреквенцијама, али уз све предности које нуди ГаН, постоји један велики недостатак који озбиљно омета његову способност да замени силицијум у многим апликацијама: недостатак П-типова.

Вероватно је један од главних циљева ових новооткривених материјала да драматично повећају ефикасност и подрже већу снагу и напон, и нема сумње да тренутни ГаН транзистори то могу постићи. Међутим, док појединачни ГаН транзистори нуде нека импресивна својства, чињеница да су сви тренутни комерцијални ГаН уређаји Н-типа угрожава њихову способност да буду изузетно ефикасни.

Да бисмо разумели зашто је то случај, морамо погледати како НМОС и ЦМОС логика функционише. НМОС логика је била веома популарна технологија 1970-их и 1980-их због једноставног процеса производње и дизајна. Коришћењем једног отпорника повезаног између напајања и одвода МОС транзистора Н-типа, капија тог транзистора је у стању да контролише напон на одводу МОС транзистора, ефективно имплементирајући не-гејт. Када се комбинују са другим НМОС транзисторима, могуће је креирати све логичке компоненте, укључујући АНД, ОР, КСОР и резе.

Међутим, иако је ова техника једноставна, она користи отпорнике за напајање, што значи да се много енергије троши на отпорнике када су НМОС транзистори укључени. За једну капију, овај губитак снаге је минималан, али се може повећати када се скалира на мале 8-битне процесоре, који могу загрејати уређај и ограничити број активних уређаја на једном чипу.