GaN:n kohtalokas virhe

Kun maailma etsii uusia mahdollisuuksia puolijohdealalla,galliumnitridi (GaN)erottuu edelleen mahdollisena ehdokkaana tuleviin teho- ja RF-sovelluksiin. Lukuisista eduistaan ​​huolimatta GaN:lla on kuitenkin edessään merkittävä haaste: P-tyypin tuotteiden puuttuminen. Miksi onGaNSeuraavaksi suureksi puolijohdemateriaaliksi ylistettynä, miksi P-tyypin GaN-laitteiden puute on kriittinen haittapuoli, ja mitä tämä tarkoittaa tuleville malleille?

Miksi onGaNYlistetty seuraavana tärkeänä puolijohdemateriaalina?

Elektroniikan alalla ensimmäisten elektronisten laitteiden markkinoille tulon jälkeen on jatkunut neljä tosiasiaa: niistä tulee tehdä mahdollisimman pieniä, mahdollisimman halpoja, tarjota mahdollisimman paljon tehoa ja kuluttaa mahdollisimman vähän virtaa. Koska nämä vaatimukset ovat usein ristiriidassa keskenään, kaikki neljä vaatimusta täyttävän täydellisen elektronisen laitteen luominen tuntuu päiväunelmalta. Tämä ei kuitenkaan ole estänyt insinöörejä pyrkimästä siihen.

Näitä neljää ohjaavaa periaatetta hyödyntäen insinöörit ovat onnistuneet suorittamaan useita mahdottomalta vaikuttavia tehtäviä. Tietokoneet ovat kutistuneet huoneenkokoisista koneista riisinjyvää pienemmiksi siruiksi, älypuhelimet mahdollistavat nyt langattoman viestinnän ja Internet-yhteyden, ja virtuaalitodellisuusjärjestelmiä voidaan nyt pitää päällä ja käyttää isännästä riippumatta. Kuitenkin, kun insinöörit lähestyvät yleisesti käytettyjen materiaalien, kuten piin, fyysisiä rajoja, laitteiden pienentämisestä ja vähemmän virrankulutuksesta on tullut yhä haastavampaa.

Näin ollen tutkijat etsivät jatkuvasti uusia materiaaleja, jotka voisivat mahdollisesti korvata tällaiset yleiset materiaalit ja tarjota edelleen pienempiä, tehokkaampia laitteita.galliumnitridi (GaN)on yksi tällaisista materiaaleista, joka on kerännyt merkittävää huomiota, ja syyt ovat ilmeisiä piihin verrattuna.

Mikä tekeeGalliumnitridiPoikkeuksellisen tehokas?

Ensinnäkin GaN:n sähkönjohtavuus on 1000 kertaa korkeampi kuin piin, mikä mahdollistaa sen toiminnan suuremmilla virroilla. Tämä tarkoittaaGaNlaitteet voivat toimia huomattavasti korkeammalla teholla tuottamatta liiallista lämpöä, mikä mahdollistaa niiden pienentämisen tietyllä teholla.

Huolimatta GaN:n hieman alhaisemmasta lämmönjohtavuudesta piihin verrattuna, sen lämmönhallinnan edut tasoittavat tietä uusille väylille suuritehoisessa elektroniikassa. Tämä on erityisen tärkeää sovelluksissa, joissa tilaa on paljon ja jäähdytysratkaisut on minimoitava, kuten ilmailu- ja autoelektroniikassa.GaNlaitteiden kyky ylläpitää suorituskykyä korkeissa lämpötiloissa korostaa entisestään niiden potentiaalia vaativissa ympäristösovelluksissa.

Toiseksi GaN:n suurempi kaistaväli (3,4 eV verrattuna 1,1 eV:iin) mahdollistaa sen käytön korkeammilla jännitteillä ennen dielektristä hajoamista. Näin ollenGaNei vain tarjoa suurempaa tehoa, vaan voi myös toimia korkeammilla jännitteillä säilyttäen samalla korkeamman hyötysuhteen.

Suuri elektronien liikkuvuus mahdollistaa myösGaNkäytettäväksi korkeammilla taajuuksilla. Tämä tekijä tekee GaN:sta välttämättömän RF-tehosovelluksissa, jotka toimivat selvästi GHz-alueen yläpuolella, jota piin on vaikea käsitellä. Lämmönjohtavuuden suhteen pii on kuitenkin hieman parempiGaN, mikä tarkoittaa, että GaN-laitteilla on korkeammat lämpövaatimukset kuin piilaitteilla. Tämän seurauksena lämmönjohtavuuden puute rajoittaa kykyä pienentääGaNlaitteita suuritehoisiin toimintoihin, koska lämmönpoistoon tarvitaan suurempia materiaalimääriä.

Mikä on kohtalokas vikaGaN– P-tyypin puute?

Suurella teholla ja korkeilla taajuuksilla toimimaan kykenevä puolijohde on erinomaista. Kaikista eduistaan ​​huolimatta GaN:lla on kuitenkin yksi suuri puute, joka vakavasti estää sen kykyä korvata piitä monissa sovelluksissa: P-tyypin GaN-laitteiden puute.

Yksi näiden äskettäin löydettyjen materiaalien päätarkoituksista on parantaa merkittävästi tehokkuutta ja tukea suurempaa tehoa ja jännitettä, ja ei ole epäilystäkään siitä, että virtaGaNtransistorit voivat saavuttaa tämän. Vaikka yksittäiset GaN-transistorit voivat todellakin tarjota joitakin vaikuttavia ominaisuuksia, kaikki nykyiset kaupallisetGaNlaitteet ovat N-tyyppisiä, mikä vaikuttaa niiden tehokkuuteen.

Ymmärtääksemme miksi näin on, meidän on tarkasteltava, kuinka NMOS- ja CMOS-logiikka toimivat. Yksinkertaisen valmistusprosessinsa ja suunnittelunsa ansiosta NMOS-logiikka oli erittäin suosittu tekniikka 1970- ja 1980-luvuilla. Käyttämällä yhtä vastusta, joka on kytketty N-tyypin MOS-transistorin virtalähteen ja nielun väliin, tämän transistorin hila voi ohjata MOS-transistorin nielujännitettä ja toteuttaa tehokkaasti NOT-portin. Kun se yhdistetään muihin NMOS-transistoreihin, kaikki logiikkaelementit, mukaan lukien AND, OR, XOR ja salvat, voidaan luoda.

Vaikka tämä tekniikka on yksinkertainen, se käyttää vastuksia tehon tuottamiseen. Tämä tarkoittaa, että kun NMOS-transistorit johtavat, vastuksiin kuluu huomattava määrä tehoa. Yksittäiselle portille tämä tehohäviö on minimaalinen, mutta kun se skaalataan pieneen 8-bittiseen prosessoriin, tämä tehohäviö voi kertyä, lämmittää laitetta ja rajoittaa aktiivisten komponenttien määrää yhdellä sirulla.

Miten NMOS-tekniikka kehittyi CMOS:ksi?

Toisaalta CMOS käyttää P- ja N-tyypin transistoreita, jotka toimivat synergistisesti vastakkaisilla tavoilla. Riippumatta CMOS-logiikkaportin tulotilasta, portin lähtö ei salli yhteyttä virtalähteestä maahan, mikä vähentää merkittävästi tehohäviöitä (kuten kun N-tyyppi johtaa, P-tyyppi eristää ja päinvastoin). Itse asiassa ainoa todellinen tehohäviö CMOS-piireissä tapahtuu tilasiirtymien aikana, jolloin transientti yhteys tehon ja maan välille muodostuu komplementaaristen parien kautta.

PalataanGaNlaitteita, koska tällä hetkellä on olemassa vain N-tyypin laitteita, ainoa saatavilla oleva tekniikkaGaNon NMOS, joka on luonnostaan ​​virran nälkäinen. Tämä ei ole ongelma RF-vahvistimissa, mutta se on suuri haitta logiikkapiireille.

Kun globaali energiankulutus jatkaa kasvuaan ja teknologian ympäristövaikutuksia seurataan tarkasti, elektroniikan energiatehokkuudesta on tullut kriittisempi kuin koskaan. NMOS-tekniikan virrankulutuksen rajoitukset korostavat puolijohdemateriaalien nopeaa läpimurtojen tarvetta korkean suorituskyvyn ja korkean energiatehokkuuden tarjoamiseksi. P-tyypin kehitysGaNtai vaihtoehtoiset täydentävät tekniikat voisivat olla merkittävä virstanpylväs tässä etsinnässä, mikä saattaa mullistaa energiatehokkaiden elektronisten laitteiden suunnittelun.

Mielenkiintoista on, että P-tyypin valmistaminen on täysin mahdollistaGaNlaitteita, ja niitä on käytetty sinisissä LED-valonlähteissä, mukaan lukien Blu-ray. Vaikka nämä laitteet riittävät optoelektronisiin vaatimuksiin, ne eivät kuitenkaan ole ihanteellisia digitaalisiin logiikka- ja tehosovelluksiin. Esimerkiksi ainoa käytännöllinen lisäaine P-tyypin valmistukseenGaNLaitteet ovat magnesiumia, mutta vaaditun suuren pitoisuuden vuoksi vety pääsee helposti rakenteeseen hehkutuksen aikana, mikä vaikuttaa materiaalin suorituskykyyn.

Siksi P-tyypin puuttuminenGaNlaitteet estävät insinöörejä hyödyntämästä täysin GaN:n potentiaalia puolijohteena.

Mitä tämä tarkoittaa tuleville insinööreille?

Tällä hetkellä tutkitaan monia materiaaleja, ja toinen tärkeä ehdokas on piikarbidi (SiC). PitääGaNPiiin verrattuna se tarjoaa korkeamman käyttöjännitteen, suuremman läpilyöntijännitteen ja paremman johtavuuden. Lisäksi sen korkea lämmönjohtavuus mahdollistaa sen käytön äärimmäisissä lämpötiloissa ja huomattavasti pienemmissä kooissa samalla kun se hallitsee suurempaa tehoa.

Kuitenkin toisin kuinGaN, SiC ei sovellu korkeille taajuuksille, mikä tarkoittaa, että sitä ei todennäköisesti käytetä RF-sovelluksissa. SiksiGaNon edelleen suosituin valinta insinööreille, jotka haluavat luoda pieniä tehovahvistimia. Yksi ratkaisu P-tyypin ongelmaan on yhdistääGaNP-tyypin pii-MOS-transistoreilla. Vaikka tämä tarjoaa täydentäviä ominaisuuksia, se rajoittaa luonnostaan ​​GaN:n taajuutta ja tehokkuutta.

Teknologian kehittyessä tutkijat voivat lopulta löytää P-tyypinGaNeri tekniikoita käyttäviä laitteita tai täydentäviä laitteita, jotka voidaan yhdistää GaN:n kanssa. Kuitenkin, kunnes se päivä koittaa,GaNaikamme tekniset rajoitukset rajoittavat edelleen.

Puolijohdetutkimuksen poikkitieteellinen luonne, joka sisältää materiaalitieteen, sähkötekniikan ja fysiikan, korostaa yhteistyöponnisteluja, joita tarvitaan nykyisten rajoitusten voittamiseksi.GaNteknologiaa. Mahdollisia läpimurtoja P-tyypin kehittämisessäGaNtai sopivien täydentävien materiaalien löytäminen ei vain voi parantaa GaN-pohjaisten laitteiden suorituskykyä, vaan myös edistää laajempaa puolijohdeteknologiaa, mikä tasoittaa tietä tehokkaammille, kompakteille ja luotettavammille elektronisille järjestelmille tulevaisuudessa.**

Me Semicorexilla valmistamme ja toimitammeGaNEpi-kiekot ja muut kiekotpuolijohteiden valmistuksessa, jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Yhteyspuhelin: +86-13567891907

Sähköposti: sales@semicorex.com