A gallium-nitrid (GaN) alkalmazások előnyei és hátrányai

Ahogy a világ új lehetőségeket keres a félvezetők terén,gallium-nitridtovábbra is kiemelkedik potenciális jelöltként a jövőbeli energia- és rádiófrekvenciás alkalmazások számára. Mindazonáltal az általa kínált előnyök ellenére továbbra is komoly kihívással kell szembenéznie; nincsenek P-típusú (P-típusú) termékek. Miért tartják számon a GaN-t a következő fő félvezető anyagként, miért jelent komoly hátrányt a P-típusú GaN eszközök hiánya, és mit jelent ez a jövőbeli tervek számára?

Az elektronikában négy tény maradt fenn az első elektronikai eszközök piacra kerülése óta: a lehető legkisebbnek, a lehető legolcsóbbnak kell lenniük, a lehető legtöbb energiát kell biztosítaniuk, és a lehető legkevesebb áramot kell fogyasztaniuk. Tekintettel arra, hogy ezek a követelmények gyakran ellentmondanak egymásnak, egy olyan tökéletes elektronikus eszköz létrehozása, amely teljesíti ezt a négy követelményt, egy kis álom, de ez nem akadályozta meg a mérnököket abban, hogy mindent megtegyenek ennek érdekében.

E négy vezérelv alapján a mérnököknek számos lehetetlennek tűnő feladatot sikerült végrehajtaniuk: a számítógépek szobaméretű eszközökből egy rizsszemnél kisebb chipekké zsugorodtak, a vezeték nélküli kommunikációt és az internethez való hozzáférést lehetővé tevő okostelefonok, valamint a virtuális valóság rendszerei amelyek mostantól a gazdaszámítógéptől függetlenül viselhetők és használhatók. Azonban ahogy a mérnökök közelednek az általánosan használt anyagok, például a szilícium fizikai korlátaihoz, lehetetlenné válik az eszközök kicsinyítése és kevesebb energiafelhasználás.

Ennek eredményeként a kutatók folyamatosan új anyagok után kutatnak, amelyek helyettesíthetik az ilyen elterjedt anyagokat, és továbbra is kisebb, hatékonyabban működő eszközöket biztosíthatnak. A gallium-nitrid (GaN) az egyik olyan anyag, amely nyilvánvaló okokból sok figyelmet keltett a szilíciumhoz képest.

GaNkiváló hatékonysága

Először is, a GaN 1000-szer hatékonyabban vezeti az elektromosságot, mint a szilícium, ami lehetővé teszi, hogy nagyobb áramerősséggel működjön. Ez azt jelenti, hogy a GaN készülékek lényegesen nagyobb teljesítménnyel működhetnek anélkül, hogy nagy mennyiségű hőt termelnének, így azonos teljesítmény mellett kisebbre is tehetők.

Bár a GaN hővezető képessége valamivel alacsonyabb, mint a szilíciumé, hőkezelési előnyei új utakat nyitnak a nagy teljesítményű elektronika számára. Ez különösen fontos azoknál az alkalmazásoknál, ahol a hely szűkös, és a hűtési megoldásokat minimálisra kell csökkenteni, mint például a repülőgépipar és az autóipari elektronika, és a GaN-eszközök azon képessége, hogy magas hőmérsékleten is képesek fenntartani a teljesítményt, még jobban kiemeli a bennük rejlő lehetőségeket a zord környezeti alkalmazásokban.

Másodszor, a GaN nagyobb sávszélessége (3,4 eV vs. 1,1 eV) lehetővé teszi a nagyobb feszültségek használatát a dielektromos lebontás előtt. Ennek eredményeként a GaN nem csak nagyobb teljesítmény leadására képes, hanem magasabb feszültségen is, miközben megőrzi a nagyobb hatékonyságot.

A nagy elektronmobilitás lehetővé teszi a GaN magasabb frekvenciákon történő használatát is. Ez a tényező teszi a GaN-t kritikussá a GHz-es tartomány felett működő rádiófrekvenciás alkalmazásoknál (amivel a szilícium küzd).

A szilícium azonban valamivel jobb, mint a GaN a hővezető képesség tekintetében, ami azt jelenti, hogy a GaN eszközök nagyobb hőigényűek, mint a szilícium eszközök. Ennek eredményeként a hővezető képesség hiánya korlátozza a GaN-eszközök zsugorításának lehetőségét nagy teljesítmény mellett (mivel nagy anyagdarabokra van szükség a hő elvezetéséhez).

GaNAchilles-sarka – nincs P-típus

Nagyszerű, hogy vannak olyan félvezetők, amelyek nagy teljesítménnyel és magas frekvencián is működnek, de a GaN által kínált összes előny mellett van egy nagy hátránya, amely súlyosan gátolja a szilícium helyettesítését számos alkalmazásban: a P-típusok hiánya.

Vitathatatlan, hogy ezeknek az újonnan felfedezett anyagoknak az egyik fő célja a hatékonyság drámai növelése, valamint a nagyobb teljesítmény és feszültség támogatása, és kétségtelen, hogy a jelenlegi GaN tranzisztorok ezt el tudják érni. Bár az egyes GaN-tranzisztorok lenyűgöző tulajdonságokkal rendelkeznek, az a tény, hogy minden jelenlegi kereskedelmi forgalomban lévő GaN-eszköz N-típusú, veszélyezteti rendkívül hatékony képességüket.

Ahhoz, hogy megértsük, miért van ez a helyzet, meg kell vizsgálnunk, hogyan működik az NMOS és a CMOS logika. Az NMOS logika nagyon népszerű technológia volt az 1970-es és 1980-as években egyszerű gyártási folyamata és kialakítása miatt. Az N-típusú MOS tranzisztor tápellátása és leeresztője közé egyetlen ellenállás használatával a tranzisztor kapuja képes szabályozni a feszültséget a MOS tranzisztor leeresztőjén, hatékonyan megvalósítva a nem kaput. Más NMOS tranzisztorokkal kombinálva minden logikai komponens létrehozható, beleértve az ÉS, VAGY, XOR és reteszeket.

Bár ez a technika egyszerű, ellenállásokat használ az áramellátáshoz, ami azt jelenti, hogy az NMOS tranzisztorok bekapcsolt állapotában sok energiát pazarolnak az ellenállásokra. Egyetlen kapu esetén ez az energiaveszteség minimális, de kis 8 bites CPU-kra skálázva megnövekedhet, ami felmelegítheti az eszközt, és korlátozhatja az egyetlen chipen lévő aktív eszközök számát.