GaN-i saatuslik viga

Kuna maailm otsib pooljuhtide valdkonnas uusi võimalusi,Galliumnitriid (GaN)paistab jätkuvalt silma potentsiaalse kandidaadina tulevaste toite- ja raadiosageduslike rakenduste jaoks. Vaatamata oma arvukatele eelistele seisab GaN silmitsi olulise väljakutsega: P-tüüpi toodete puudumine. Miks onGaNJärgmiseks suureks pooljuhtmaterjaliks kiidetud, miks on P-tüüpi GaN-seadmete puudumine kriitiline puudus ja mida see tulevaste disainilahenduste jaoks tähendab?

Miks onGaNKas teid peetakse järgmiseks oluliseks pooljuhtmaterjaliks?

Elektroonika vallas on pärast esimeste elektroonikaseadmete turuletulekut püsinud neli tõsiasja: need tuleb teha võimalikult väikesed, võimalikult odavad, pakkuda võimalikult palju voolu ja tarbida võimalikult vähe voolu. Arvestades, et need nõuded on sageli üksteisega vastuolus, tundub katse luua täiuslik elektrooniline seade, mis vastab kõigile neljale nõudele, unistusena. See ei ole aga takistanud insenere püüdlemast selle poole.

Neid nelja juhtpõhimõtet kasutades on insenerid suutnud täita mitmesuguseid võimatuna näivaid ülesandeid. Arvutid on kahanenud toasuurustest masinatest riisiterast väiksemateks kiibideks, nutitelefonid võimaldavad nüüd traadita sidet ja internetiühendust ning virtuaalreaalsuse süsteeme saab kanda ja kasutada hostist sõltumatult. Kuna aga insenerid lähenevad tavaliselt kasutatavate materjalide (nt räni) füüsilistele piiridele, on seadmete väiksemaks muutmine ja vähem energiat tarbiv muutmine muutunud üha keerulisemaks.

Sellest tulenevalt otsivad teadlased pidevalt uusi materjale, mis võiksid selliseid levinud materjale potentsiaalselt asendada ja jätkata väiksemate ja tõhusamate seadmete pakkumist.Galliumnitriid (GaN)on üks selline materjal, mis on pälvinud märkimisväärset tähelepanu ja põhjused on silikooniga võrreldes ilmselged.

Mis teebGalliumnitriidErakordselt tõhus?

Esiteks on GaN elektrijuhtivus 1000 korda kõrgem kui ränil, mis võimaldab tal töötada suurematel vooludel. See tähendabGaNseadmed võivad töötada oluliselt suurema võimsusega ilma liigset soojust tekitamata, võimaldades neid antud võimsuse jaoks väiksemaks muuta.

Vaatamata GaN-i pisut madalamale soojusjuhtivusele võrreldes räniga, sillutavad selle soojusjuhtimise eelised teed uutele võimalustele suure võimsusega elektroonikas. See on eriti oluline rakenduste puhul, kus ruumi on vähe ja jahutuslahendusi tuleb minimeerida, näiteks lennunduses ja autoelektroonikas.GaNseadmete võime säilitada jõudlust kõrgel temperatuuril tõstab veelgi esile nende potentsiaali karmides tingimustes.

Teiseks võimaldab GaN-i suurem ribalaius (3,4 eV võrreldes 1,1 eV-ga) seda kasutada kõrgemal pingel enne dielektrilist purunemist. JärelikultGaNmitte ainult ei paku suuremat võimsust, vaid võib töötada ka kõrgemal pingel, säilitades samal ajal suurema efektiivsuse.

Seda võimaldab ka suur elektronide liikuvusGaNkasutada kõrgematel sagedustel. See tegur muudab GaN-i oluliseks raadiosageduslike võimsusrakenduste jaoks, mis töötavad tunduvalt üle GHz vahemiku, millega räni toimetulekuga on raskusi. Soojusjuhtivuse poolest ületab räni aga veidiGaN, mis tähendab, et GaN-seadmetel on räniseadmetega võrreldes suuremad soojusnõuded. Selle tulemusena piirab soojusjuhtivuse puudumine miniatuursuse võimalustGaNseadmed suure võimsusega operatsioonide jaoks, kuna soojuse hajutamiseks on vaja suuremaid materjalimahtusid.

Milles peitub saatuslik vigaGaN— P-tüübi puudumine?

Suure võimsusega ja kõrge sagedusega töötava pooljuhi olemasolu on suurepärane. Vaatamata kõigile selle eelistele on GaN-il siiski üks suur viga, mis tõsiselt takistab selle võimet asendada räni paljudes rakendustes: P-tüüpi GaN-seadmete puudumine.

Nende äsja avastatud materjalide üks peamisi eesmärke on oluliselt parandada tõhusust ning toetada suuremat võimsust ja pinget ning pole kahtlust, et voolGaNtransistorid suudavad seda saavutada. Kuigi üksikud GaN-transistorid võivad tõepoolest pakkuda mõningaid muljetavaldavaid omadusi, on tõsiasi, et kõik praegused kaubanduslikudGaNN-tüüpi seadmed mõjutavad nende tõhusust.

Et mõista, miks see nii on, peame vaatama, kuidas NMOS-i ja CMOS-i loogika töötavad. Lihtsa tootmisprotsessi ja disaini tõttu oli NMOS-loogika 1970. ja 1980. aastatel väga populaarne tehnoloogia. Kasutades ühte takistit, mis on ühendatud N-tüüpi MOS-transistori toiteallika ja äravoolu vahel, saab selle transistori värav juhtida MOS-transistori äravoolupinget, rakendades tõhusalt NOT-värav. Kombineerides teiste NMOS-transistoridega, saab luua kõik loogikaelemendid, sealhulgas JA, VÕI, XOR ja riivid.

Kuigi see tehnoloogia on lihtne, kasutab see toiteallikaks takisteid. See tähendab, et kui NMOS-transistorid juhivad, kulub märkimisväärne osa võimsusest takistitele. Üksiku värava puhul on see võimsuskadu minimaalne, kuid väikese 8-bitise CPU-ni skaleerituna võib see võimsuskadu koguneda, seadet soojendades ja ühe kiibi aktiivsete komponentide arvu piirates.

Kuidas arenes NMOS-tehnoloogia CMOS-iks?

Teisest küljest kasutab CMOS P- ja N-tüüpi transistore, mis töötavad sünergiliselt vastupidisel viisil. Olenemata CMOS-i loogikavärava sisendolekust ei võimalda värava väljund toiteühendust maandusega, vähendades oluliselt voolukadu (nagu N-tüüpi juhib, P-tüüp isoleerib ja vastupidi). Tegelikult tekib CMOS-ahelates ainus tegelik võimsuskadu olekute üleminekul, kus komplementaarsete paaride kaudu moodustub ajutine ühendus toite ja maa vahel.

Tagasi tulles juurdeGaNseadmed, kuna praegu on olemas ainult N-tüüpi seadmed, mis on ainus saadaolev tehnoloogiaGaNon NMOS, mis on oma olemuselt energianäljas. See ei ole RF-võimendite probleem, kuid loogikaahelate jaoks on see suur puudus.

Kuna ülemaailmne energiatarbimine kasvab jätkuvalt ja tehnoloogia keskkonnamõju on hoolikalt uuritud, on elektroonika energiatõhususe poole püüdlemine muutunud kriitilisemaks kui kunagi varem. NMOS-tehnoloogia energiatarbimise piirangud rõhutavad tungivat vajadust läbimurde järele pooljuhtmaterjalides, et pakkuda kõrget jõudlust ja kõrget energiatõhusust. P-tüüpi arengGaNvõi alternatiivsed täiendavad tehnoloogiad võiksid tähistada selles otsingus olulist verstaposti, mis võib muuta energiatõhusate elektroonikaseadmete disaini.

Huvitav on see, et P-tüüpi on täiesti võimalik valmistadaGaNseadmetes ja neid on kasutatud sinistes LED-valgusallikates, sealhulgas Blu-ray-valguses. Kuigi need seadmed on optoelektrooniliste nõuete täitmiseks piisavad, pole need kaugeltki ideaalsed digitaalloogika ja toiterakenduste jaoks. Näiteks ainus praktiline lisand P-tüüpi tootmiseksGaNseadmed on magneesium, kuid vajaliku suure kontsentratsiooni tõttu võib vesinik lõõmutamise ajal kergesti struktuuri siseneda, mõjutades materjali jõudlust.

Seetõttu puudub P-tüüpGaNseadmed takistavad inseneridel GaN-i pooljuhi potentsiaali täielikult ära kasutamast.

Mida see tulevaste inseneride jaoks tähendab?

Praegu uuritakse paljusid materjale, teine ​​suur kandidaat on ränikarbiid (SiC). meeldibGaN, võrreldes räniga, pakub see kõrgemat tööpinget, suuremat läbilöögipinget ja paremat juhtivust. Lisaks võimaldab selle kõrge soojusjuhtivus seda kasutada äärmuslikel temperatuuridel ja oluliselt väiksemate suurustega, kontrollides samal ajal suuremat võimsust.

Siiski erinevaltGaNSiC ei sobi kõrgete sageduste jaoks, mis tähendab, et seda ei kasutata raadiosageduslike rakenduste jaoks. SeetõttuGaNjääb eelistatud valikuks inseneridele, kes soovivad luua väikeseid võimsusvõimendeid. Üks lahendus P-tüüpi probleemile on kombineerimineGaNP-tüüpi räni MOS transistoridega. Kuigi see pakub täiendavaid võimalusi, piirab see oma olemuselt GaN-i sagedust ja tõhusust.

Tehnoloogia arenedes võivad teadlased lõpuks leida P-tüübiGaNseadmed või täiendavad seadmed, mis kasutavad erinevaid tehnoloogiaid, mida saab kombineerida GaN-iga. Kuid kuni selle päevani,GaNon jätkuvalt piiratud meie aja tehnoloogiliste piirangutega.

Pooljuhtide uurimistöö interdistsiplinaarne olemus, mis hõlmab materjaliteadust, elektrotehnikat ja füüsikat, rõhutab koostöö jõupingutusi, mis on vajalikud praeguste piirangute ületamiseks.GaNtehnoloogia. Võimalikud läbimurded P-tüübi arendamiselGaNvõi sobivate täiendavate materjalide leidmine ei paranda mitte ainult GaN-põhiste seadmete jõudlust, vaid aitab kaasa laiemale pooljuhttehnoloogia maastikule, sillutades teed tõhusamatele, kompaktsematele ja usaldusväärsematele elektroonilistele süsteemidele tulevikus.**

Meie, Semicorex, toodab ja tarnibGaNEpi-vahvlid ja muud tüüpi vahvlidmida kasutatakse pooljuhtide tootmises, kui teil on küsimusi või vajate täiendavaid üksikasju, võtke meiega ühendust.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com