Фатална мана ГаН-а

Док свет тражи нове могућности у области полупроводника,галијум нитрид (ГаН)наставља да се истиче као потенцијални кандидат за будуће апликације за напајање и РФ. Међутим, упркос бројним предностима, ГаН се суочава са значајним изазовом: одсуством производа типа П. Зашто јеГаНпоздрављен као следећи велики полупроводнички материјал, зашто је недостатак ГаН уређаја П-типа критичан недостатак, и шта то значи за будуће дизајне?

Зашто јеГаНПрослављен као следећи велики полупроводнички материјал?

У области електронике, четири чињенице опстају од када су први електронски уређаји изашли на тржиште: они морају бити што мањи, што јефтинији, нуде што више снаге и троше што је мање могуће. С обзиром да се ови захтеви често сукобљавају једни са другима, покушај стварања савршеног електронског уређаја који испуњава сва четири захтева изгледа као сањарење. Међутим, то није спречило инжењере да теже да то постигну.

Користећи ова четири водећа принципа, инжењери су успели да остваре низ наизглед немогућих задатака. Рачунари су се смањили са машина величине собе на чипс мање од зрна пиринча, паметни телефони сада омогућавају бежичну комуникацију и приступ интернету, а системи виртуелне реалности сада се могу носити и користити независно од домаћина. Међутим, како се инжењери приближавају физичким границама најчешће коришћених материјала као што је силицијум, смањивање уређаја и трошење мање енергије постаје све изазовније.

Сходно томе, истраживачи су стално у потрази за новим материјалима који би потенцијално могли заменити такве уобичајене материјале и наставити да нуде мање, ефикасније уређаје.галијум нитрид (ГаН)је један од таквих материјала који је привукао значајну пажњу, а разлози су евидентни када се упореди са силицијумом.

Шта чиниГаллиум НитридеИзузетно ефикасан?

Прво, ГаН-ова електрична проводљивост је 1000 пута већа од оне код силицијума, што му омогућава да ради на већим струјама. Ово значиГаНуређаји могу да раде на знатно већим нивоима снаге без генерисања прекомерне топлоте, омогућавајући им да буду мањи за дату излазну снагу.

Упркос нешто нижој топлотној проводљивости ГаН-а у поређењу са силицијумом, његове предности управљања топлотом отварају пут новим путевима у електроници велике снаге. Ово је посебно кључно за апликације где је простор на првом месту и решења за хлађење морају бити сведена на минимум, као што је у ваздухопловству и аутомобилској електроници.ГаНспособност уређаја да одрже перформансе на високим температурама додатно наглашава њихов потенцијал у апликацијама у тешким условима.

Друго, ГаН-ов већи појас у појасу (3,4 еВ у поређењу са 1,1 еВ) омогућава да се користи на вишим напонима пре пробоја диелектрика. сходно томе,ГаНне само да нуди већу снагу већ може да ради и на вишим напонима уз одржавање веће ефикасности.

Висока покретљивост електрона такође дозвољаваГаНда се користи на вишим фреквенцијама. Овај фактор чини ГаН есенцијалним за апликације за РФ напајање које раде знатно изнад опсега ГХз, са чиме се силицијум тешко носи. Међутим, у погледу топлотне проводљивости, силицијум је мало бољиГаН, што значи да ГаН уређаји имају веће термичке захтеве у поређењу са силицијумским уређајима. Као резултат, недостатак топлотне проводљивости ограничава могућност минијатуризацијеГаНуређаји за операције велике снаге, јер су потребне веће количине материјала за одвођење топлоте.

Шта је фатална манаГаН—Недостатак П-типа?

Имати полупроводник који може да ради на великој снази и високим фреквенцијама је одлично. Међутим, упркос свим својим предностима, ГаН има једну велику ману која озбиљно омета његову способност да замени силицијум у многим апликацијама: недостатак ГаН уређаја П-типа.

Једна од главних намена ових новооткривених материјала је да значајно побољшају ефикасност и подрже већу снагу и напон, а нема сумње да струјаГаНтранзистори могу ово постићи. Међутим, иако појединачни ГаН транзистори заиста могу пружити неке импресивне карактеристике, чињеница је да су сви тренутни комерцијалниГаНуређаји су Н-типа утиче на њихову ефикасност.

Да бисмо разумели зашто је то случај, морамо да погледамо како НМОС и ЦМОС логика функционишу. Због њиховог једноставног производног процеса и дизајна, НМОС логика је била веома популарна технологија 1970-их и 1980-их. Коришћењем једног отпорника повезаног између напајања и дрена МОС транзистора Н, капија овог транзистора може контролисати напон одвода МОС транзистора, ефективно имплементирајући НОТ капију. Када се комбинују са другим НМОС транзисторима, могу се креирати сви логички елементи, укључујући И, ОР, КСОР и резе.

Међутим, иако је ова технологија једноставна, она користи отпорнике за напајање. То значи да када НМОС транзистори проводе, значајна количина енергије се троши на отпорнике. За појединачну капију, овај губитак снаге је минималан, али када се повећа на мали 8-битни ЦПУ, овај губитак снаге може да се акумулира, загревајући уређај и ограничавајући број активних компоненти на једном чипу.

Како је НМОС технологија еволуирала у ЦМОС?

С друге стране, ЦМОС користи транзисторе П-типа и Н-типа који раде синергијски на супротне начине. Без обзира на улазно стање ЦМОС логичке капије, излаз капије не дозвољава везу између напајања и уземљења, значајно смањујући губитак снаге (баш као када Н-тип проводи, П-тип изолује, и обрнуто). У ствари, једини прави губитак снаге у ЦМОС колима се дешава током прелаза стања, где се прелазна веза између напајања и уземљења формира преко комплементарних парова.

Враћајући се наГаНуређаја, пошто тренутно постоје само уређаји типа Н, једина доступна технологија заГаНје НМОС, који је сам по себи гладан енергије. Ово није проблем за РФ појачала, али је велики недостатак за логичка кола.

Како глобална потрошња енергије наставља да расте, а утицај технологије на животну средину помно се испитује, потрага за енергетском ефикасношћу у електроници постала је критичнија него икад. Ограничења потрошње енергије НМОС технологије наглашавају хитну потребу за открићем у полупроводничким материјалима који ће понудити високе перформансе и високу енергетску ефикасност. Развој П-типаГаНили алтернативне комплементарне технологије могле би означити значајну прекретницу у овој потрази, потенцијално револуционирајући дизајн енергетски ефикасних електронских уређаја.

Занимљиво је да је потпуно могуће произвести П-типГаНуређаја, а они су коришћени у плавим ЛЕД изворима светлости, укључујући Блу-раи. Међутим, иако су ови уређаји довољни за оптоелектронске захтеве, они су далеко од идеалних за дигиталну логику и апликације за напајање. На пример, једини практични додатак за производњу П-типаГаНуређаја је магнезијум, али због високе потребне концентрације водоник може лако да уђе у структуру током жарења, утичући на перформансе материјала.

Дакле, одсуство П-типаГаНуређаји спречавају инжењере да у потпуности искористе потенцијал ГаН-а као полупроводника.

Шта ово значи за будуће инжењере?

Тренутно се проучавају многи материјали, а други главни кандидат је силицијум карбид (СиЦ). ЛикеГаН, у поређењу са силицијумом, нуди већи радни напон, већи пробојни напон и бољу проводљивост. Поред тога, његова висока топлотна проводљивост омогућава да се користи на екстремним температурама и знатно мањим величинама уз контролу веће снаге.

Међутим, за разлику одГаН, СиЦ није погодан за високе фреквенције, што значи да је мало вероватно да ће се користити за РФ апликације. дакле,ГаНостаје пожељан избор за инжењере који желе да направе појачиваче мале снаге. Једно решење за проблем П-типа је комбиновањеГаНса силицијумским МОС транзисторима П типа. Иако ово пружа комплементарне могућности, оно инхерентно ограничава ГаН-ову фреквенцију и ефикасност.

Како технологија напредује, истраживачи би на крају могли пронаћи П-типГаНуређаја или комплементарних уређаја који користе различите технологије које се могу комбиновати са ГаН. Међутим, док тај дан не дође,ГаНи даље ће бити ограничени технолошким ограничењима нашег времена.

Интердисциплинарна природа истраживања полупроводника, која укључује науку о материјалима, електротехнику и физику, наглашава заједничке напоре потребне за превазилажење тренутних ограничењаГаНтехнологије. Потенцијални продори у развоју П-типаГаНили проналажење одговарајућих комплементарних материјала не само да би могло да побољша перформансе уређаја заснованих на ГаН, већ и да допринесе ширем пејзажу полупроводничке технологије, утирући пут ефикаснијим, компактнијим и поузданијим електронским системима у будућности.**

Ми у Семицорек-у производимо и снабдевамоГаН Епи-вафле и друге врсте наполитанкипримењује се у производњи полупроводника, ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не оклевајте да нас контактирате.

Контакт телефон: +86-13567891907

Емаил: салес@семицорек.цом