Предности и недостатоци на апликациите на галиум нитрид (GaN).

Додека светот бара нови можности во полупроводниците,галиум нитридпродолжува да се истакнува како потенцијален кандидат за идни апликации за напојување и RF. Сепак, и покрај сите придобивки што ги нуди, сепак се соочува со голем предизвик; нема производи од P-тип (P-тип). Зошто GaN се смета за следен главен полупроводнички материјал, зошто недостатокот на уреди од типот P GaN е голем недостаток и што значи тоа за идните дизајни?

Во електрониката, четири факти опстојуваат откако првите електронски уреди се појавија на пазарот: тие треба да бидат што помали, што е можно поевтини, да обезбедат што е можно повеќе енергија и да трошат што е можно помалку енергија. Имајќи предвид дека овие барања често се контрадикторни едни со други, обидот да се создаде совршен електронски уред кој може да ги исполни овие четири барања е малку сон, но тоа не ги спречи инженерите да направат се што можат за да го остварат тоа.

Користејќи ги овие четири водечки принципи, инженерите успеаја да остварат различни навидум невозможни задачи, со компјутери кои се намалуваат од уреди со големина на соба до чипови помали од зрно ориз, паметни телефони кои овозможуваат безжична комуникација и пристап до Интернет и системи за виртуелна реалност. што сега може да се носи и користи независно од компјутерот домаќин. Меѓутоа, како што инженерите се приближуваат до физичките граници на најчесто користените материјали како што е силиконот, правењето уреди помали и користењето помала енергија сега станува невозможно.

Како резултат на тоа, истражувачите постојано бараат нови материјали кои можат да ги заменат таквите вообичаени материјали и да продолжат да обезбедуваат помали уреди кои работат поефикасно. Галиум нитрид (GaN) е еден материјал кој привлече многу внимание, во споредба со силициумот, од очигледни причини.

GaNсупериорна ефикасност

Прво, GaN спроведува електрична енергија 1.000 пати поефикасно од силиконот, што му овозможува да работи на повисоки струи. Ова значи дека уредите GaN можат да работат со значително поголема моќност без да генерираат многу топлина, а со тоа може да се направат помали за истата дадена моќност.

Иако топлинската спроводливост на GaN е малку пониска од силиконската, неговите предности за термичко управување отвораат нови патишта за електроника со висока моќност. Ова е особено важно за апликации каде што просторот е врвен, а решенијата за ладење треба да се минимизираат, како што се воздушната и автомобилската електроника, а способноста на уредите GaN да ги одржуваат перформансите на високи температури дополнително го истакнува нивниот потенцијал за апликации во суровата средина.

Второ, поголемиот пропуст на GaN (3,4eV наспроти 1,1eV) овозможува користење на повисоки напони пред дефект на диелектрикот. Како резултат на тоа, GaN не само што е способен да испорачува поголема моќност, туку може да го направи тоа при повисоки напони додека одржува поголема ефикасност.

Високата подвижност на електроните, исто така, овозможува GaN да се користи на повисоки фреквенции. Овој фактор го прави GaN критичен за апликациите за RF моќност кои работат многу над опсегот на GHz (нешто со кое силиконот се бори).

Сепак, силиконот е малку подобар од GaN во однос на топлинската спроводливост, што значи дека уредите GaN имаат поголеми термички барања од силиконските уреди. Како резултат на тоа, недостатокот на топлинска спроводливост ја ограничува способноста за собирање GaN уредите кога работат со голема моќност (бидејќи се потребни големи парчиња материјал за да се исфрли топлината).

GaNАхилова пета - без П-тип

Одлично е да се имаат полупроводници кои можат да работат со голема моќност на високи фреквенции, но и покрај сите предности што ги нуди GaN, има еден голем недостаток што сериозно ја попречува неговата способност да го замени силиконот во многу апликации: недостатокот на P-типови.

Веројатно, една од главните цели на овие новооткриени материјали е драматично да се зголеми ефикасноста и да се поддржи поголема моќност и напон, и нема сомнеж дека сегашните транзистори GaN можат да го постигнат тоа. Сепак, иако поединечните GaN транзистори нудат некои импресивни својства, фактот што сите сегашни комерцијални GaN уреди се од типот N ја загрозува нивната способност да бидат исклучително ефикасни.

За да разбереме зошто е тоа така, треба да погледнеме како функционира логиката NMOS и CMOS. NMOS логиката беше многу популарна технологија во 1970-тите и 1980-тите поради нејзиниот едноставен процес на производство и дизајн. Со користење на еден отпорник поврзан помеѓу напојувањето и одводот на MOS транзистор од N-тип, портата на тој транзистор може да го контролира напонот во одводот на MOS транзисторот, ефикасно имплементирајќи не-порта. Кога се комбинираат со други NMOS транзистори, можно е да се создадат сите логички компоненти, вклучувајќи ги И, ИЛИ, XOR и бравите.

Сепак, иако оваа техника е едноставна, таа користи отпорници за да обезбеди енергија, што значи дека многу енергија се троши на отпорниците кога се вклучени NMOS транзисторите. За една порта, оваа загуба на енергија е минимална, но може да се зголеми при скалирање на мали 8-битни процесори, што може да го загрее уредот и да го ограничи бројот на активни уреди на еден чип.