A GaN végzetes hibája

Miközben a világ új lehetőségeket keres a félvezetők területén,gallium-nitrid (GaN)továbbra is kiemelkedik, mint potenciális jelölt a jövőbeni energia- és rádiófrekvenciás alkalmazások számára. Számos előnye ellenére azonban a GaN jelentős kihívással néz szembe: a P-típusú termékek hiányával. Miért vanGaNA következő fő félvezető anyagnak üdvözölve miért jelent kritikus hátrányt a P-típusú GaN eszközök hiánya, és mit jelent ez a jövőbeli tervek számára?

Miért vanGaNA következő fő félvezető anyagként üdvözölték?

Az elektronika területén négy tény maradt fenn az első elektronikai eszközök piacra kerülése óta: a lehető legkisebbre, a lehető legolcsóbbra kell őket készíteni, minél nagyobb teljesítményt kell nyújtani, és a lehető legkevesebb áramot kell fogyasztani. Tekintettel arra, hogy ezek a követelmények gyakran ütköznek egymással, álmodozásnak tűnik egy olyan tökéletes elektronikus eszköz megalkotása, amely mind a négy követelménynek megfelel. Ez azonban nem akadályozta meg a mérnököket abban, hogy ezt elérjék.

Ezt a négy vezérelvet felhasználva a mérnököknek számos lehetetlennek tűnő feladatot sikerült végrehajtaniuk. A számítógépek szobaméretű gépekből egy rizsszemnél kisebb chipekké zsugorodtak, az okostelefonok immár vezeték nélküli kommunikációt és internet-hozzáférést tesznek lehetővé, a virtuális valóság rendszerei pedig már a gazdagéptől függetlenül is viselhetők és használhatók. Azonban ahogy a mérnökök közelednek az általánosan használt anyagok, például a szilícium fizikai határaihoz, egyre nagyobb kihívást jelent az eszközök kisebbre készítése és kevesebb energiafogyasztás.

Következésképpen a kutatók folyamatosan keresik azokat az új anyagokat, amelyek potenciálisan helyettesíthetik az ilyen elterjedt anyagokat, és továbbra is kisebb, hatékonyabb eszközöket kínálnak.gallium-nitrid (GaN)Az egyik ilyen anyag, amely jelentős figyelmet kapott, és az okok nyilvánvalóak a szilíciummal összehasonlítva.

Mi teszigallium-nitridKivételesen hatékony?

Először is, a GaN elektromos vezetőképessége 1000-szer nagyobb, mint a szilíciumé, ami lehetővé teszi, hogy nagyobb áramerősséggel működjön. Ez azt jelentiGaNAz eszközök lényegesen magasabb teljesítményszinten működhetnek anélkül, hogy túlzott hőt termelnének, így adott teljesítmény mellett kisebbre lehet őket állítani.

Annak ellenére, hogy a GaN a szilíciumhoz képest valamivel alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, hőkezelési előnyei új utakat nyitnak meg a nagy teljesítményű elektronika területén. Ez különösen fontos az olyan alkalmazásoknál, ahol a hely szűkös, és a hűtési megoldásokat minimálisra kell csökkenteni, például a repülőgépiparban és az autóelektronikában.GaNAz eszközök azon képessége, hogy megőrizzék teljesítményüket magas hőmérsékleten, még jobban kiemeli a zord környezeti alkalmazásokban rejlő lehetőségeket.

Másodszor, a GaN nagyobb sávszélessége (3,4 eV az 1,1 eV-hoz képest) lehetővé teszi, hogy nagyobb feszültségen is használható legyen a dielektromos lebontás előtt. Következésképpen,GaNnem csak nagyobb teljesítményt kínál, hanem magasabb feszültségen is működhet, miközben megőrzi a nagyobb hatékonyságot.

A nagy elektronmobilitás is lehetővé tesziGaNmagasabb frekvenciákon használható. Ez a tényező teszi a GaN-t elengedhetetlenné a GHz-es tartomány felett működő rádiófrekvenciás alkalmazásokhoz, amelyeket a szilícium nehezen kezel. A hővezető képesség tekintetében azonban a szilícium kissé felülmúlja a teljesítménytGaN, ami azt jelenti, hogy a GaN eszközök nagyobb hőigényűek, mint a szilícium eszközök. Ennek eredményeként a hővezető képesség hiánya korlátozza a miniatürizálás lehetőségétGaNnagy teljesítményű műveletekhez szükséges eszközök, mivel nagyobb anyagmennyiségek szükségesek a hőelvezetéshez.

Mi a végzetes hibájaGaN– A P-típus hiánya?

Kiváló, ha olyan félvezetővel rendelkezik, amely nagy teljesítményen és nagy frekvencián képes működni. Azonban minden előnye ellenére a GaN-nek van egy nagy hibája, amely komolyan gátolja a szilícium helyettesítését számos alkalmazásban: a P-típusú GaN eszközök hiánya.

Ezeknek az újonnan felfedezett anyagoknak az egyik fő célja a hatékonyság jelentős javítása, valamint a nagyobb teljesítmény és feszültség támogatása, és nem kétséges, hogy a jelenlegiGaNtranzisztorok képesek ezt elérni. Bár az egyes GaN tranzisztorok valóban lenyűgöző tulajdonságokkal rendelkeznek, az a tény, hogy minden jelenlegi kereskedelmiGaNAz eszközök N-típusúak, befolyásolja hatékonysági képességeiket.

Ahhoz, hogy megértsük, miért van ez a helyzet, meg kell vizsgálnunk, hogyan működik az NMOS és a CMOS logika. Egyszerű gyártási folyamatuk és kialakításuk miatt az NMOS logika nagyon népszerű technológia volt az 1970-es és 1980-as években. Egyetlen ellenállás használatával, amely az N-típusú MOS tranzisztor tápegysége és lefolyója közé van csatlakoztatva, ennek a tranzisztornak a kapuja képes szabályozni a MOS tranzisztor leeresztő feszültségét, hatékonyan megvalósítva a NOT kaput. Más NMOS tranzisztorokkal kombinálva minden logikai elem, beleértve az ÉS, VAGY, XOR és reteszeket, létrehozható.

Bár ez a technológia egyszerű, ellenállásokat használ az áramellátáshoz. Ez azt jelenti, hogy amikor az NMOS tranzisztorok vezetnek, jelentős mennyiségű energia pazarol el az ellenállásokon. Egy egyedi kapu esetében ez az energiaveszteség minimális, de ha egy kis 8 bites CPU-ra méretezzük, ez az energiaveszteség felhalmozódhat, felmelegítve az eszközt és korlátozva az aktív komponensek számát egyetlen chipen.

Hogyan fejlődött az NMOS technológia CMOS-sá?

Másrészt a CMOS P-típusú és N-típusú tranzisztorokat használ, amelyek egymással ellentétes módon működnek szinergikusan. A CMOS logikai kapu bemeneti állapotától függetlenül a kapu kimenete nem teszi lehetővé a tápfeszültség és a föld közötti kapcsolatot, ami jelentősen csökkenti az áramveszteséget (akárcsak amikor az N típusú vezet, a P típusú szigetel, és fordítva). Valójában a CMOS áramkörökben az egyetlen valódi teljesítményvesztés az állapotátmenetek során következik be, amikor a táp és a föld között tranziens kapcsolat jön létre komplementer párokon keresztül.

Visszatérve aGaNeszközök, mivel jelenleg csak N-típusú eszközök léteznek, az egyetlen elérhető technológiaGaNaz NMOS, amely eredendően energiaéhes. Ez nem probléma az RF erősítőknél, de jelentős hátránya a logikai áramköröknek.

Ahogy a globális energiafogyasztás folyamatosan növekszik, és a technológia környezetre gyakorolt ​​hatásait alaposan megvizsgálják, az elektronikai energiahatékonyságra való törekvés kritikusabbá vált, mint valaha. Az NMOS technológia energiafogyasztási korlátai rávilágítanak arra, hogy sürgősen áttörésekre van szükség a félvezető anyagok terén a nagy teljesítmény és energiahatékonyság érdekében. A P-típus kialakulásaGaNvagy az alternatív kiegészítő technológiák jelentős mérföldkövet jelenthetnek ebben a küldetésben, potenciálisan forradalmasíthatják az energiahatékony elektronikus eszközök tervezését.

Érdekes módon teljesen lehetséges a P-típus gyártásaGaNeszközöket, és ezeket kék LED-es fényforrásokban használták, beleértve a Blu-ray-t is. Bár ezek az eszközök elegendőek az optoelektronikai követelményekhez, távolról sem ideálisak a digitális logikai és energiaellátási alkalmazásokhoz. Például az egyetlen praktikus adalékanyag a P-típus gyártásáhozGaNAz eszközök magnézium, de a szükséges nagy koncentráció miatt a hidrogén könnyen bejuthat a szerkezetbe az izzítás során, ami befolyásolja az anyag teljesítményét.

Ezért a P-típus hiányaGaNeszközök megakadályozzák a mérnököket abban, hogy teljes mértékben kiaknázzák a GaN félvezetői potenciálját.

Mit jelent ez a jövő mérnökei számára?

Jelenleg sok anyagot tanulmányoznak, a másik jelentős jelölt a szilícium-karbid (SiC). MintGaNA szilíciumhoz képest magasabb üzemi feszültséget, nagyobb áttörési feszültséget és jobb vezetőképességet kínál. Ezenkívül magas hővezető képessége lehetővé teszi, hogy szélsőséges hőmérsékleten és jelentősen kisebb méretben is használható, miközben nagyobb teljesítményt szabályoz.

Azonban ellentétbenGaN, a SiC nem alkalmas magas frekvenciákhoz, vagyis nem valószínű, hogy rádiófrekvenciás alkalmazásokhoz használják. Ezért,GaNtovábbra is a preferált választás a kis teljesítményerősítőket tervező mérnökök számára. A P-típusú probléma egyik megoldása a kombinálásGaNP-típusú szilícium MOS tranzisztorokkal. Bár ez kiegészítő képességeket biztosít, eleve korlátozza a GaN frekvenciáját és hatékonyságát.

A technológia fejlődésével a kutatók végül megtalálhatják a P-típustGaNkülönböző technológiát használó eszközök vagy kiegészítő eszközök, amelyek kombinálhatók a GaN-nel. Amíg azonban el nem jön ez a nap,GaNtovábbra is korlátozni fogják korunk technológiai korlátai.

A félvezetőkutatás interdiszciplináris jellege, amely magában foglalja az anyagtudományt, az elektrotechnikát és a fizikát is, aláhúzza a jelenlegi korlátok leküzdéséhez szükséges együttműködési erőfeszítéseket.GaNtechnológia. Lehetséges áttörések a P-típus fejlesztésébenGaNvagy megfelelő kiegészítő anyagok megtalálása nemcsak a GaN-alapú eszközök teljesítményét javíthatja, hanem hozzájárulhat a szélesebb félvezető technológiai környezethez is, megnyitva az utat a hatékonyabb, kompakt és megbízhatóbb elektronikus rendszerek számára a jövőben.**

Mi, a Semicorex gyártunk és szállítunk beGaNEpi-ostyák és más típusú ostyákfélvezetőgyártásban alkalmazzák, ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, forduljon hozzánk bizalommal.

Elérhetőség: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com