Fordeler og ulemper med galliumnitrid (GaN)-applikasjoner

Mens verden ser etter nye muligheter innen halvledere,galliumnitridfortsetter å skille seg ut som en potensiell kandidat for fremtidige kraft- og RF-applikasjoner. Men på tross av alle fordelene den tilbyr, står den fortsatt overfor en stor utfordring; det er ingen P-type (P-type) produkter. Hvorfor er GaN utpekt som det neste store halvledermaterialet, hvorfor er mangelen på P-type GaN-enheter en stor ulempe, og hva betyr dette for fremtidige design?

Innen elektronikk har fire fakta vedvart siden de første elektroniske enhetene kom på markedet: de må være så små som mulig, så billige som mulig, gi så mye strøm som mulig og forbruke så lite strøm som mulig. Med tanke på at disse kravene ofte motsier hverandre, er det litt av en drøm å prøve å lage den perfekte elektroniske enheten som kan oppfylle disse fire kravene, men det har ikke stoppet ingeniører fra å gjøre alt de kan for å få det til.

Ved å bruke disse fire retningsgivende prinsippene har ingeniører lykkes i å utføre en rekke tilsynelatende umulige oppgaver, med datamaskiner som krymper fra romstore enheter til sjetonger som er mindre enn et riskorn, smarttelefoner som tillater trådløs kommunikasjon og tilgang til Internett, og virtual reality-systemer som nå kan bæres og brukes uavhengig av vertsdatamaskinen. Men ettersom ingeniører nærmer seg de fysiske grensene for ofte brukte materialer som silisium, blir det nå umulig å gjøre enheter mindre og bruke mindre strøm.

Som et resultat søker forskere stadig etter nye materialer som kanskje kan erstatte slike vanlige materialer og fortsette å tilby mindre enheter som kjører mer effektivt. Galliumnitrid (GaN) er et materiale som har tiltrukket seg mye oppmerksomhet, sammenlignet med silisium, av åpenbare grunner.

GaNsin overlegne effektivitet

For det første leder GaN elektrisitet 1000 ganger mer effektivt enn silisium, slik at det kan operere ved høyere strømmer. Dette betyr at GaN-enheter kan kjøre med betydelig høyere effekt uten å generere mye varme, og dermed kan gjøres mindre for samme gitte effekt.

Selv om GaNs varmeledningsevne er litt lavere enn silisiums, åpner dens termiske styringsfordeler nye veier for høyeffektselektronikk. Dette er spesielt viktig for applikasjoner der plassen er begrenset og kjøleløsninger må minimeres, for eksempel romfart og bilelektronikk, og GaN-enheters evne til å opprettholde ytelsen ved høye temperaturer fremhever ytterligere deres potensiale for tøffe miljøapplikasjoner.

For det andre tillater det større båndgapet til GaN (3,4eV vs. 1,1eV) bruk ved høyere spenninger før dielektrisk sammenbrudd. Som et resultat er GaN ikke bare i stand til å levere mer kraft, men kan gjøre det ved høyere spenninger og samtidig opprettholde høyere effektivitet.

Den høye elektronmobiliteten gjør det også mulig å bruke GaN ved høyere frekvenser. Denne faktoren gjør GaN kritisk for RF-strømapplikasjoner som opererer godt over GHz-området (noe som silisium sliter med).

Silisium er imidlertid litt bedre enn GaN når det gjelder termisk ledningsevne, noe som betyr at GaN-enheter har større termiske krav enn silisiumenheter. Som et resultat begrenser mangelen på termisk ledningsevne evnen til å krympe GaN-enheter når de opererer med høy effekt (fordi store stykker materiale er nødvendig for å spre varme).

GaN's Akilleshæl - Ingen P-type

Det er flott å ha halvledere som kan operere med høy effekt ved høye frekvenser, men for alle fordelene GaN tilbyr, er det en stor ulempe som sterkt hemmer evnen til å erstatte silisium i mange applikasjoner: mangelen på P-typer.

Uten tvil er et av hovedmålene til disse nyoppdagede materialene å dramatisk øke effektiviteten og støtte høyere kraft og spenning, og det er ingen tvil om at nåværende GaN-transistorer kan oppnå dette. Men mens individuelle GaN-transistorer tilbyr noen imponerende egenskaper, kompromitterer det faktum at alle nåværende kommersielle GaN-enheter er N-type deres evne til å være ekstremt effektive.

For å forstå hvorfor dette er tilfelle, må vi se på hvordan NMOS- og CMOS-logikk fungerer. NMOS-logikk var en veldig populær teknologi på 1970- og 1980-tallet på grunn av sin enkle produksjonsprosess og design. Ved å bruke en enkelt motstand koblet mellom strømforsyningen og avløpet til en N-type MOS-transistor, er porten til den transistoren i stand til å kontrollere spenningen ved avløpet til MOS-transistoren, og implementerer effektivt en ikke-port. Når det kombineres med andre NMOS-transistorer, er det mulig å lage alle logiske komponentene, inkludert AND, OR, XOR og latches.

Men selv om denne teknikken er enkel, bruker den motstander for å gi strøm, noe som betyr at mye strøm går til spille på motstandene når NMOS-transistorene er på. For en enkelt port er dette strømtapet minimalt, men kan øke ved skalering til små 8-bits CPUer, noe som kan varme opp enheten og begrense antall aktive enheter på en enkelt brikke.