Фаталната маана на ГаН

Додека светот бара нови можности на полето на полупроводниците,Галиум нитрид (GaN)продолжува да се истакнува како потенцијален кандидат за идни апликации за напојување и RF. Сепак, и покрај бројните придобивки, GaN се соочува со значителен предизвик: отсуство на производи од типот P. Зошто еGaNпоздравен како следниот главен полупроводнички материјал, зошто недостатокот на уреди од P-тип GaN е критичен недостаток и што значи тоа за идните дизајни?

Зошто еGaNПоздравен како следниот главен полупроводнички материјал?

Во областа на електрониката, четири факти опстојуваат откако првите електронски уреди се појавија на пазарот: тие треба да се направат што е можно помали, што е можно поевтини, да понудат што е можно повеќе енергија и да трошат што е можно помалку енергија. Со оглед на тоа што овие барања често се во конфликт едни со други, обидот да се создаде совршен електронски уред кој ги исполнува сите четири барања изгледа како сон. Сепак, ова не ги спречи инженерите да се стремат да го постигнат тоа.

Користејќи ги овие четири водечки принципи, инженерите успеаја да постигнат различни навидум невозможни задачи. Компјутерите се намалија од машини со големина на соба во чипови помали од зрно ориз, паметните телефони сега овозможуваат безжична комуникација и пристап до интернет, а системите за виртуелна реалност сега можат да се носат и користат независно од домаќинот. Сепак, како што инженерите се приближуваат до физичките граници на најчесто користените материјали како силиконот, правењето уреди помали и трошењето помала енергија станува сè попредизвикувачки.

Следствено, истражувачите постојано се во потрага по нови материјали кои потенцијално би можеле да ги заменат таквите вообичаени материјали и да продолжат да нудат помали, поефикасни уреди.Галиум нитрид (GaN)е еден таков материјал кој привлече значително внимание, а причините се очигледни кога ќе се споредат со силиконот.

Што правиГалиум нитридИсклучително ефикасни?

Прво, електричната спроводливост на GaN е 1000 пати поголема од онаа на силиконот, што му овозможува да работи на повисоки струи. Ова значиGaNуредите можат да работат на значително повисоки нивоа на моќност без да генерираат прекумерна топлина, овозможувајќи им да се направат помали за дадена излезна моќност.

И покрај малку пониската топлинска спроводливост на GaN во споредба со силиконот, неговите предности за управување со топлина го отвораат патот за нови патишта во електрониката со висока моќност. Ова е особено клучно за апликации каде што просторот е врвен, а решенијата за ладење треба да се минимизираат, како на пример во воздушната и автомобилската електроника.GaNспособноста на уредите да одржуваат перформанси на високи температури дополнително го истакнува нивниот потенцијал во апликациите во суровата средина.

Второ, поголемиот јаз на опсегот на GaN (3,4eV во споредба со 1,1eV) овозможува да се користи на повисоки напони пред да се распадне диелектрикот. Следствено,GaNне само што нуди поголема моќност, туку може да работи и на повисоки напони додека одржува поголема ефикасност.

Високата подвижност на електроните исто така дозволуваGaNда се користи на повисоки фреквенции. Овој фактор го прави GaN суштински за апликации за RF моќност кои работат многу над опсегот на GHz, со кој силиконот се бори да се справи. Сепак, во однос на топлинската спроводливост, силиконот малку ги надминува перформанситеGaN, што значи дека уредите GaN имаат поголеми термички барања во споредба со силиконските уреди. Како резултат на тоа, недостатокот на топлинска спроводливост ја ограничува можноста за минијатуризирањеGaNуреди за операции со голема моќност, бидејќи се потребни поголеми волумени на материјали за дисипација на топлина.

Која е фаталната мана наGaN-Недостаток на P-тип?

Да се ​​има полупроводник способен да работи со висока моќност и високи фреквенции е одлично. Сепак, и покрај сите свои предности, GaN има една голема маана што сериозно ја попречува неговата способност да го замени силиконот во многу апликации: недостатокот на уреди од типот P GaN.

Една од главните цели на овие новооткриени материјали е значително да се подобри ефикасноста и да се поддржи поголема моќност и напон, а несомнено е дека струјатаGaNтранзисторите можат да го постигнат тоа. Сепак, иако индивидуалните GaN транзистори навистина можат да обезбедат некои импресивни карактеристики, фактот дека сите тековни комерцијалниGaNуредите се N-тип влијае на нивната ефикасност способности.

За да разбереме зошто е тоа така, треба да погледнеме како функционираат логиката NMOS и CMOS. Поради нивниот едноставен процес на производство и дизајн, NMOS логиката беше многу популарна технологија во 1970-тите и 1980-тите. Со користење на еден отпорник поврзан помеѓу напојувањето и одводот на MOS транзистор од N-тип, портата на овој транзистор може да го контролира одводниот напон на MOS транзисторот, ефикасно имплементирајќи ја портата NOT. Кога се комбинираат со други NMOS транзистори, може да се создадат сите логички елементи, вклучувајќи ги И, ИЛИ, XOR и бравите.

Сепак, иако оваа технологија е едноставна, таа користи отпорници за да обезбеди енергија. Ова значи дека кога NMOS транзисторите се спроведуваат, значителна количина на енергија се троши на отпорниците. За индивидуална порта, оваа загуба на енергија е минимална, но кога ќе се зголеми до мал 8-битен процесор, оваа загуба на енергија може да се акумулира, загревајќи го уредот и ограничувајќи го бројот на активни компоненти на еден чип.

Како NMOS технологијата еволуираше во CMOS?

Од друга страна, CMOS користи транзистори од P-тип и N-тип кои работат синергистички на спротивни начини. Без оглед на состојбата на влезот на логичката порта CMOS, излезот на портата не дозволува поврзување од напојување со земја, со што значително се намалува загубата на енергија (исто како кога N-типот се спроведува, P-типот изолира и обратно). Всушност, единствената реална загуба на моќност во колата CMOS се јавува за време на транзиции на состојби, каде што се формира минлива врска помеѓу моќноста и земјата преку комплементарни парови.

Враќање наGaNуреди, бидејќи моментално постојат само уреди од N-тип, единствената достапна технологија заGaNе NMOS, кој е инхерентно гладен за моќ. Ова не е проблем за RF засилувачите, но е голем недостаток за логичките кола.

Како што глобалната потрошувачка на енергија продолжува да расте и влијанието на технологијата врз животната средина е внимателно проверувано, стремежот за енергетска ефикасност во електрониката стана покритичен од кога било. Ограничувањата на потрошувачката на енергија на технологијата NMOS ја нагласуваат итната потреба за откритија во полупроводничките материјали за да понудат високи перформанси и висока енергетска ефикасност. Развојот на P-типGaNили алтернативни комплементарни технологии може да означат значајна пресвртница во оваа потрага, потенцијално револуционизирајќи го дизајнот на енергетски ефикасните електронски уреди.

Интересно, целосно е можно да се произведе P-типGaNуреди, а тие се користеле во сини LED извори на светлина, вклучувајќи го и Blu-ray. Сепак, иако овие уреди се доволни за оптоелектронски барања, тие се далеку од идеални за дигитални логички и моќни апликации. На пример, единствениот практичен допан за производство на P-типGaNуредите се магнезиум, но поради високата потребна концентрација, водородот лесно може да влезе во структурата за време на жарењето, што влијае на перформансите на материјалот.

Затоа, отсуството на P-типGaNуредите ги спречуваат инженерите целосно да го искористат потенцијалот на GaN како полупроводник.

Што значи ова за идните инженери?

Во моментов, многу материјали се проучуваат, а друг главен кандидат е силициум карбид (SiC). КакоGaN, во споредба со силиконот, тој нуди поголем работен напон, поголем пробивен напон и подобра спроводливост. Дополнително, неговата висока топлинска спроводливост му овозможува да се користи при екстремни температури и значително помали димензии додека контролира поголема моќност.

Сепак, за разлика одGaN, SiC не е погоден за високи фреквенции, што значи дека е малку веројатно да се користи за RF апликации. Затоа,GaNостанува префериран избор за инженерите кои сакаат да создадат засилувачи со мала моќност. Едно решение за проблемот со P-тип е да се комбинираатGaNсо силиконски MOS транзистори од типот P. Иако ова обезбедува комплементарни способности, инхерентно ја ограничува фреквенцијата и ефикасноста на GaN.

Како што напредува технологијата, истражувачите на крајот може да најдат P-типGaNуреди или комплементарни уреди кои користат различни технологии кои можат да се комбинираат со GaN. Сепак, додека не дојде тој ден,GaNќе продолжи да биде ограничена од технолошките ограничувања на нашето време.

Интердисциплинарната природа на истражувањето за полупроводници, вклучувајќи наука за материјали, електротехника и физика, ги нагласува заедничките напори потребни за надминување на сегашните ограничувања наGaNтехнологија. Потенцијални откритија во развојот на P-типGaNили пронаоѓањето соодветни комплементарни материјали не само што би можело да ги подобри перформансите на уредите базирани на GaN туку и да придонесе за поширокиот пејзаж на технологијата на полупроводници, отворајќи го патот за поефикасни, компактни и доверливи електронски системи во иднина.**

Ние во Semicorex произведуваме и снабдуваме воGaNEpi-наполитанки и други видови наполитанкисе применува во производството на полупроводници, ако имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, ве молиме не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Телефон за контакт: +86-13567891907

Е-пошта: sales@semicorex.com