Предимства и недостатъци на приложенията на галиев нитрид (GaN).

Докато светът търси нови възможности в полупроводниците,галиев нитридпродължава да се откроява като потенциален кандидат за бъдещи енергийни и радиочестотни приложения. Въпреки това, въпреки всички предимства, които предлага, той все още е изправен пред голямо предизвикателство; няма продукти от тип P (P-type). Защо GaN се рекламира като следващия основен полупроводников материал, защо липсата на P-тип GaN устройства е основен недостатък и какво означава това за бъдещите дизайни?

В електрониката четири факта се запазват, откакто първите електронни устройства се появиха на пазара: те трябва да бъдат възможно най-малки, възможно най-евтини, да осигуряват възможно най-много енергия и да консумират възможно най-малко енергия. Като се има предвид, че тези изисквания често си противоречат, опитът да се създаде перфектното електронно устройство, което може да изпълни тези четири изисквания, е малко празна мечта, но това не е попречило на инженерите да направят всичко възможно, за да го осъществят.

Използвайки тези четири ръководни принципа, инженерите са успели да изпълнят различни привидно невъзможни задачи, като компютрите се свиват от устройства с размерите на стая до чипове, по-малки от оризово зърно, смартфони, които позволяват безжична комуникация и достъп до интернет, и системи за виртуална реалност които вече могат да се носят и използват независимо от хост компютъра. Въпреки това, тъй като инженерите се доближават до физическите граници на често използвани материали като силиций, правенето на устройства по-малки и използващи по-малко енергия вече става невъзможно.

В резултат на това изследователите непрекъснато търсят нови материали, които могат да заменят такива обичайни материали и да продължат да предоставят по-малки устройства, които работят по-ефективно. Галиевият нитрид (GaN) е един материал, който привлече много внимание в сравнение със силиция по очевидни причини.

GaNпревъзходна ефективност

Първо, GaN провежда електричество 1000 пъти по-ефективно от силиция, което му позволява да работи при по-високи токове. Това означава, че GaN устройствата могат да работят със значително по-висока мощност, без да генерират много топлина, и по този начин могат да бъдат направени по-малки за същата дадена мощност.

Въпреки че топлопроводимостта на GaN е малко по-ниска от тази на силиция, неговите предимства в управлението на топлината отварят нови пътища за електроника с висока мощност. Това е особено важно за приложения, където пространството е на първо място и охлаждащите решения трябва да бъдат сведени до минимум, като космическата и автомобилната електроника, а способността на GaN устройствата да поддържат производителност при високи температури допълнително подчертава потенциала им за приложения в сурови условия.

Второ, по-голямата ширина на обхвата на GaN (3,4 eV срещу 1,1 eV) позволява използване при по-високи напрежения преди диелектричен пробив. В резултат на това GaN не само е способен да доставя повече мощност, но може да го прави при по-високи напрежения, като същевременно поддържа по-висока ефективност.

Високата мобилност на електроните също позволява използването на GaN при по-високи честоти. Този фактор прави GaN критичен за радиочестотни енергийни приложения, които работят доста над GHz обхвата (нещо, с което силицийът се бори).

Силицият обаче е малко по-добър от GaN по отношение на топлопроводимост, което означава, че GaN устройствата имат по-големи топлинни изисквания от силициевите устройства. В резултат на това липсата на топлопроводимост ограничава възможността за свиване на GaN устройства, когато работят с висока мощност (защото са необходими големи парчета материал за разсейване на топлината).

GaNАхилесовата пета - без P-тип

Страхотно е да имаме полупроводници, които могат да работят с висока мощност при високи честоти, но въпреки всички предимства, които GaN предлага, има един основен недостатък, който силно възпрепятства способността му да замени силиций в много приложения: липсата на P-типове.

Може да се каже, че една от основните цели на тези новооткрити материали е драстично да повишат ефективността и да поддържат по-висока мощност и напрежение и няма съмнение, че настоящите GaN транзистори могат да постигнат това. Въпреки това, докато отделните GaN транзистори предлагат някои впечатляващи свойства, фактът, че всички настоящи търговски GaN устройства са N-тип, компрометира способността им да бъдат изключително ефективни.

За да разберем защо това е така, трябва да разгледаме как работи NMOS и CMOS логиката. NMOS логиката беше много популярна технология през 70-те и 80-те години на миналия век поради простия си производствен процес и дизайн. Чрез използване на единичен резистор, свързан между захранването и източването на MOS транзистор от N-тип, портата на този транзистор е в състояние да контролира напрежението при източването на MOS транзистора, ефективно реализирайки не-гейт. Когато се комбинира с други NMOS транзистори, е възможно да се създадат всички логически компоненти, включително И, ИЛИ, XOR и ключалки.

Въпреки това, въпреки че тази техника е проста, тя използва резистори за осигуряване на захранване, което означава, че много енергия се губи на резисторите, когато NMOS транзисторите са включени. За един гейт тази загуба на мощност е минимална, но може да се увеличи при мащабиране до малки 8-битови процесори, което може да нагрее устройството и да ограничи броя на активните устройства на един чип.