Galliumnitriidi (GaN) rakenduste eelised ja puudused

Kuna maailm otsib pooljuhtide vallas uusi võimalusi,galliumnitriidpaistab jätkuvalt silma potentsiaalse kandidaadina tulevaste toite- ja raadiosageduslike rakenduste jaoks. Kuid hoolimata kõigist selle pakutavatest eelistest seisab see endiselt silmitsi suure väljakutsega; P-tüüpi (P-tüüpi) tooteid ei ole. Miks reklaamitakse GaN-i järgmise suurema pooljuhtmaterjalina, miks on P-tüüpi GaN-seadmete puudumine suur puudus ja mida see tulevaste disainilahenduste jaoks tähendab?

Elektroonikas on pärast esimeste elektroonikaseadmete turuletulekut püsinud neli tõsiasja: need peavad olema võimalikult väikesed, võimalikult odavad, andma võimalikult palju voolu ja tarbima võimalikult vähe energiat. Arvestades, et need nõuded on sageli üksteisega vastuolus, on katse luua täiuslik elektrooniline seade, mis täidaks need neli nõuet, veidi unistus, kuid see ei ole takistanud insenere tegemast kõik, et see juhtuks.

Neid nelja juhtpõhimõtet kasutades on inseneridel õnnestunud täita mitmesuguseid võimatuna näivaid ülesandeid – arvutid on kahanenud toasuurustelt seadmetelt riisiterast väiksemateks kiipideks, nutitelefonid, mis võimaldavad traadita sidet ja juurdepääsu Internetile, ning virtuaalreaalsussüsteemid. mida saab nüüd kanda ja kasutada hostarvutist sõltumatult. Kuna aga insenerid lähenevad tavaliselt kasutatavate materjalide (nt räni) füüsilistele piiridele, muutub seadmete väiksemaks muutmine ja vähem võimsust kasutavaks muutmine nüüd võimatuks.

Selle tulemusena otsivad teadlased pidevalt uusi materjale, mis võiksid asendada selliseid levinud materjale ja pakkuda jätkuvalt väiksemaid seadmeid, mis töötavad tõhusamalt. Galliumnitriid (GaN) on üks materjal, mis on silikooniga võrreldes arusaadavatel põhjustel palju tähelepanu äratanud.

GaNsuurepärane efektiivsus

Esiteks juhib GaN elektrit 1000 korda tõhusamalt kui räni, võimaldades tal töötada suurema vooluga. See tähendab, et GaN-seadmed võivad töötada oluliselt suurema võimsusega ilma palju soojust tekitamata ja seega saab neid sama võimsuse jaoks väiksemaks muuta.

Kuigi GaN-i soojusjuhtivus on veidi madalam kui ränil, avavad selle soojusjuhtimise eelised uusi võimalusi suure võimsusega elektroonika jaoks. See on eriti oluline rakenduste puhul, kus ruumi on vähe ja jahutuslahendusi tuleb minimeerida, nagu lennundus- ja autoelektroonika, ning GaN-seadmete võime säilitada jõudlust kõrgel temperatuuril tõstab veelgi esile nende potentsiaali karmides keskkonnarakendustes.

Teiseks võimaldab GaN-i suurem ribalaius (3,4 eV vs 1,1 eV) kasutada kõrgematel pingetel enne dielektrilist purunemist. Selle tulemusena ei suuda GaN mitte ainult anda rohkem võimsust, vaid suudab seda teha ka kõrgemal pingel, säilitades samal ajal suurema efektiivsuse.

Suur elektronide liikuvus võimaldab GaN-i kasutada ka kõrgematel sagedustel. See tegur muudab GaN-i kriitiliseks RF-võimsuse rakenduste jaoks, mis töötavad tunduvalt üle GHz vahemiku (miski, millega räni hädas on).

Räni on aga soojusjuhtivuse poolest veidi parem kui GaN, mis tähendab, et GaN-seadmetel on suuremad soojusnõuded kui räniseadmetel. Selle tulemusena piirab soojusjuhtivuse puudumine GaN-seadmete kokkutõmbamise võimet suure võimsusega töötamisel (kuna soojuse hajutamiseks on vaja suuri materjalitükke).

GaNAchilleuse kand – P-tüüpi pole

On suurepärane, et pooljuhid suudavad töötada suure võimsusega kõrgetel sagedustel, kuid kõigi GaN-i eeliste juures on üks suur puudus, mis raskendab räni asendamist paljudes rakendustes: P-tüüpide puudumine.

Väidetavalt on nende äsja avastatud materjalide üks peamisi eesmärke tõhususe dramaatiline suurendamine ning suurema võimsuse ja pinge toetamine ning pole kahtlust, et praegused GaN-transistorid suudavad seda saavutada. Kuigi üksikud GaN-transistorid pakuvad mõningaid muljetavaldavaid omadusi, seab tõsiasi, et kõik praegused kaubanduslikud GaN-seadmed on N-tüüpi, nende võimet olla äärmiselt tõhus.

Et mõista, miks see nii on, peame vaatama, kuidas NMOS-i ja CMOS-i loogika töötab. NMOS-loogika oli 1970. ja 1980. aastatel oma lihtsa tootmisprotsessi ja disaini tõttu väga populaarne tehnoloogia. Kasutades ühte takistit, mis on ühendatud N-tüüpi MOS-transistori toiteallika ja äravoolu vahel, suudab selle transistori värav juhtida MOS-transistori äravoolu pinget, rakendades tõhusalt mittevärava. Kombineerides teiste NMOS-transistoridega, on võimalik luua kõik loogikakomponendid, sealhulgas JA, VÕI, XOR ja riivid.

Kuigi see tehnika on lihtne, kasutab see toite andmiseks takisteid, mis tähendab, et NMOS-transistorite sisselülitamisel kulub palju energiat takistitele. Ühe värava puhul on see võimsuskadu minimaalne, kuid võib suureneda, kui skaleeritakse väikestele 8-bitistele CPU-dele, mis võivad seadet soojendada ja piirata ühe kiibi aktiivsete seadmete arvu.