Galliumnitridi (GaN) -sovellusten edut ja haitat

Kun maailma etsii uusia mahdollisuuksia puolijohteissa,galliumnitridierottuu edelleen mahdollisena ehdokkaana tuleviin teho- ja RF-sovelluksiin. Kaikista sen tarjoamista eduista huolimatta sillä on edelleen suuri haaste; ei ole P-tyypin (P-tyypin) tuotteita. Miksi GaN on mainostettu seuraavana suurena puolijohdemateriaalina, miksi P-tyypin GaN-laitteiden puute on suuri haittapuoli ja mitä tämä tarkoittaa tuleville malleille?

Elektroniikassa neljä tosiasiaa on jatkunut ensimmäisten elektronisten laitteiden markkinoille tulon jälkeen: niiden tulee olla mahdollisimman pieniä, mahdollisimman halpoja, tuottaa mahdollisimman paljon virtaa ja kuluttaa mahdollisimman vähän virtaa. Ottaen huomioon, että nämä vaatimukset ovat usein ristiriidassa keskenään, täydellinen elektronisen laitteen luominen, joka täyttää nämä neljä vaatimusta, on hieman unelma, mutta se ei ole estänyt insinöörejä tekemästä kaikkensa sen toteuttamiseksi.

Näitä neljää ohjaavaa periaatetta käyttäen insinöörit ovat onnistuneet suorittamaan monia mahdottomalta vaikuttavia tehtäviä, kun tietokoneet ovat pienentyneet huoneen kokoisista laitteista riisinjyvää pienemmiksi siruiksi, älypuhelimiin, jotka mahdollistavat langattoman viestinnän ja pääsyn Internetiin, sekä virtuaalitodellisuusjärjestelmissä. joita voidaan nyt käyttää ja käyttää isäntätietokoneesta riippumatta. Kuitenkin, kun insinöörit lähestyvät yleisesti käytettyjen materiaalien, kuten piin, fysikaalisia rajoja, laitteiden pienentäminen ja tehon vähentäminen on nyt mahdotonta.

Tämän seurauksena tutkijat etsivät jatkuvasti uusia materiaaleja, jotka voivat korvata tällaiset yleiset materiaalit ja tarjota edelleen pienempiä laitteita, jotka toimivat tehokkaammin. Galliumnitridi (GaN) on yksi materiaali, joka on herättänyt paljon huomiota piiiin verrattuna ilmeisistä syistä.

GaNylivoimainen tehokkuus

Ensinnäkin GaN johtaa sähköä 1000 kertaa tehokkaammin kuin pii, jolloin se voi toimia suuremmilla virroilla. Tämä tarkoittaa, että GaN-laitteet voivat toimia huomattavasti suuremmalla teholla tuottamatta paljon lämpöä, ja siten ne voidaan pienentää samalla teholla.

Vaikka GaN:n lämmönjohtavuus on hieman pienempi kuin piin, sen lämmönhallinnan edut avaavat uusia mahdollisuuksia suuritehoiselle elektroniikalle. Tämä on erityisen tärkeää sovelluksissa, joissa tilaa on paljon ja jäähdytysratkaisuja on minimoitava, kuten ilmailu- ja autoelektroniikassa, ja GaN-laitteiden kyky ylläpitää suorituskykyä korkeissa lämpötiloissa korostaa entisestään niiden mahdollisuuksia vaativiin ympäristösovelluksiin.

Toiseksi GaN:n suurempi kaistaväli (3,4 eV vs. 1,1 eV) mahdollistaa käytön korkeammilla jännitteillä ennen dielektristä hajoamista. Tämän seurauksena GaN ei vain pysty toimittamaan enemmän tehoa, vaan voi tehdä sen korkeammilla jännitteillä säilyttäen samalla korkeamman hyötysuhteen.

Suuri elektronien liikkuvuus mahdollistaa myös GaN:n käytön korkeammilla taajuuksilla. Tämä tekijä tekee GaN:sta kriittisen RF-tehosovelluksille, jotka toimivat selvästi GHz-alueen yläpuolella (jotain, jonka kanssa pii kamppailee).

Pii on kuitenkin hieman parempi kuin GaN lämmönjohtavuuden suhteen, mikä tarkoittaa, että GaN-laitteilla on suuremmat lämpövaatimukset kuin piilaitteilla. Tämän seurauksena lämmönjohtavuuden puute rajoittaa kykyä kutistaa GaN-laitteita, kun ne toimivat suurella teholla (koska lämmön hajauttamiseen tarvitaan suuria materiaalipaloja).

GaNAchilles Heel - Ei P-tyyppiä

On hienoa, että meillä on puolijohteita, jotka voivat toimia suurella teholla korkeilla taajuuksilla, mutta kaikista GaN:n tarjoamista eduista huolimatta on yksi suuri haitta, joka haittaa vakavasti sen kykyä korvata piitä monissa sovelluksissa: P-tyyppien puute.

Luultavasti yksi näiden äskettäin löydettyjen materiaalien päätavoitteista on lisätä dramaattisesti tehokkuutta ja tukea suurempaa tehoa ja jännitettä, ja ei ole epäilystäkään siitä, että nykyiset GaN-transistorit voivat saavuttaa tämän. Vaikka yksittäiset GaN-transistorit tarjoavatkin joitain vaikuttavia ominaisuuksia, se tosiasia, että kaikki nykyiset kaupalliset GaN-laitteet ovat N-tyyppisiä, vaarantaa niiden kyvyn olla erittäin tehokkaita.

Ymmärtääksemme miksi näin on, meidän on tarkasteltava, kuinka NMOS- ja CMOS-logiikka toimii. NMOS-logiikka oli erittäin suosittu tekniikka 1970- ja 1980-luvuilla yksinkertaisen valmistusprosessinsa ja suunnittelunsa vuoksi. Käyttämällä yhtä vastusta, joka on kytketty N-tyypin MOS-transistorin tehonsyötön ja nielun väliin, tämän transistorin hila pystyy ohjaamaan jännitettä MOS-transistorin nielussa ja toteuttaa tehokkaasti ei-portin. Yhdistettynä muihin NMOS-transistoreihin on mahdollista luoda kaikki logiikkakomponentit, mukaan lukien AND, OR, XOR ja salvat.

Vaikka tämä tekniikka on yksinkertainen, se käyttää vastuksia tehon tuottamiseen, mikä tarkoittaa, että paljon tehoa tuhlataan vastuksiin, kun NMOS-transistorit ovat päällä. Yhdelle portille tämä tehohäviö on minimaalinen, mutta se voi kasvaa, kun skaalataan pieniin 8-bittisiin prosessoreihin, mikä voi lämmittää laitetta ja rajoittaa aktiivisten laitteiden määrää yhdellä sirulla.