Фаталният недостатък на GaN

Докато светът търси нови възможности в областта на полупроводниците,Галиев нитрид (GaN)продължава да се откроява като потенциален кандидат за бъдещи енергийни и радиочестотни приложения. Въпреки многобройните си предимства обаче, GaN е изправен пред значително предизвикателство: липсата на продукти от тип P. Защо еGaNприветстван като следващия основен полупроводников материал, защо липсата на P-тип GaN устройства е критичен недостатък и какво означава това за бъдещите дизайни?

Защо еGaNПриветстван като следващия основен полупроводников материал?

В сферата на електрониката четири факта се запазват, откакто първите електронни устройства се появиха на пазара: те трябва да бъдат направени възможно най-малки, възможно най-евтини, да предлагат възможно най-голяма мощност и да консумират възможно най-малко енергия. Като се има предвид, че тези изисквания често са в конфликт помежду си, опитът да се създаде перфектното електронно устройство, което отговаря на всичките четири изисквания, изглежда като мечта. Това обаче не е спряло инженерите да се стремят да го постигнат.

Използвайки тези четири ръководни принципа, инженерите са успели да изпълнят различни на пръв поглед невъзможни задачи. Компютрите се свиха от машини с размерите на стая до чипове, по-малки от оризово зърно, смартфоните вече позволяват безжична комуникация и достъп до интернет, а системите за виртуална реалност вече могат да се носят и използват независимо от хоста. Въпреки това, тъй като инженерите се доближават до физическите граници на често използвани материали като силиций, правенето на устройства по-малки и консумиращи по-малко енергия става все по-предизвикателно.

Следователно изследователите непрекъснато търсят нови материали, които потенциално биха могли да заменят такива обичайни материали и да продължат да предлагат по-малки, по-ефективни устройства.Галиев нитрид (GaN)е един такъв материал, който привлече значително внимание и причините са очевидни в сравнение със силиция.

Какво правиГалиев нитридИзключително ефективни?

Първо, електрическата проводимост на GaN е 1000 пъти по-висока от тази на силиция, което му позволява да работи при по-високи токове. Това означаваGaNустройствата могат да работят на значително по-високи нива на мощност, без да генерират прекомерна топлина, което им позволява да бъдат направени по-малки за дадена мощност.

Въпреки малко по-ниската топлопроводимост на GaN в сравнение със силиция, неговите предимства за управление на топлината проправят пътя за нови пътища в електрониката 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 например в космическата и автомобилната електроника.GaNспособността на устройствата да поддържат производителност при високи температури допълнително подчертава техния потенциал в приложения в тежки условия.

Второ, по-голямата ширина на лентата на GaN (3,4 eV в сравнение с 1,1 eV) позволява да се използва при по-високи напрежения преди диелектричен пробив. Следователно,GaNне само предлага по-голяма мощност, но може да работи и при по-високи напрежения, като същевременно поддържа по-висока ефективност.

Високата мобилност на електроните също позволяваGaNда се използва при по-високи честоти. Този фактор прави GaN от съществено значение за радиочестотни енергийни приложения, които работят доста над GHz обхвата, с който силицийът трудно може да се справи. Въпреки това, по отношение на топлопроводимостта, силицият леко превъзхождаGaN, което означава, че GaN устройствата имат по-големи топлинни изисквания в сравнение със силициевите устройства. В резултат на това липсата на топлопроводимост ограничава способността за миниатюризиранеGaNустройства за операции с висока мощност, тъй като са необходими по-големи обеми материал за разсейване на топлината.

Какво е фаталната грешка наGaN— Липса на P-тип?

Наличието на полупроводник, способен да работи при висока мощност и високи честоти, е отлично. Все пак, въпреки всичките си предимства, GaN има един основен недостатък, който сериозно възпрепятства способността му да замени силиция в много приложения: липсата на P-тип GaN устройства.

Една от основните цели на тези новооткрити материали е значително да подобрят ефективността и да поддържат по-висока мощност и напрежение и няма съмнение, че токътGaNтранзисторите могат да постигнат това. Въпреки това, въпреки че отделните GaN транзистори могат наистина да осигурят някои впечатляващи характеристики, фактът, че всички текущи търговскиGaNустройствата от тип N се отразява на техните възможности за ефективност.

За да разберем защо това е така, трябва да разгледаме как работят NMOS и CMOS логиката. Благодарение на техния прост производствен процес и дизайн, NMOS логиката беше много популярна технология през 70-те и 80-те години на миналия век. Чрез използване на единичен резистор, свързан между захранването и изтичането на N-тип MOS транзистор, портата на този транзистор може да контролира напрежението на изтичане на MOS транзистора, ефективно прилагайки NOT gate. Когато се комбинира с други NMOS транзистори, могат да бъдат създадени всички логически елементи, включително И, ИЛИ, XOR и ключалки.

Въпреки това, въпреки че тази технология е проста, тя използва резистори за осигуряване на захранване. Това означава, че когато NMOS транзисторите провеждат, значително количество енергия се губи върху резисторите. За индивидуален гейт тази загуба на мощност е минимална, но когато се мащабира до малък 8-битов процесор, тази загуба на мощност може да се натрупа, загрявайки устройството и ограничавайки броя на активните компоненти на един чип.

Как технологията NMOS еволюира до CMOS?

От друга страна, CMOS използва P-тип и N-тип транзистори, които работят синергично по противоположни начини. Независимо от входното състояние на CMOS логическия порт, изходът на порта не позволява връзка от захранването към земята, което значително намалява загубата на мощност (точно както когато N-типът провежда, P-типът изолира и обратно). Всъщност единствената реална загуба на мощност в CMOS схемите се случва по време на преходи на състояния, където преходна връзка между мощност и земя се формира чрез допълващи се двойки.

Връщайки се къмGaNустройства, тъй като в момента съществуват само устройства от тип N, единствената налична технология заGaNе NMOS, който по своята същност е енергоемък. Това не е проблем за радиочестотните усилватели, но е основен недостатък за логическите схеми.

Тъй като глобалното потребление на енергия продължава да нараства и въздействието на технологиите върху околната среда се следи отблизо, стремежът към енергийна ефективност в електрониката стана по-важен от всякога. Ограниченията на потреблението на енергия на технологията NMOS подчертават спешната нужда от пробиви в полупроводниковите материали, които да предлагат висока производителност и висока енергийна ефективност. Развитието на P-типGaNили алтернативни допълнителни технологии биха могли да отбележат важен крайъгълен камък в това търсене, потенциално революционизирайки дизайна на енергийно ефективни електронни устройства.

Интересното е, че е напълно възможно да се произвежда P-типGaNустройства и те са били използвани в източници на синя LED светлина, включително Blu-ray. Въпреки това, докато тези устройства са достатъчни за оптоелектронни изисквания, те далеч не са идеални за цифрови логически и захранващи приложения. Например, единствената практична добавка за производство на P-типGaNустройствата е магнезий, но поради изискваната висока концентрация, водородът може лесно да навлезе в структурата по време на отгряване, засягайки работата на материала.

Следователно липсата на P-типGaNустройства не позволява на инженерите да използват напълно потенциала на GaN като полупроводник.

Какво означава това за бъдещите инженери?

В момента много материали се изучават, като друг основен кандидат е силициевият карбид (SiC). катоGaN, в сравнение със силиция, той предлага по-високо работно напрежение, по-голямо напрежение на пробив и по-добра проводимост. Освен това високата му топлопроводимост позволява да се използва при екстремни температури и значително по-малки размери, като същевременно контролира по-голяма мощност.

Въпреки това, за разлика отGaN, SiC не е подходящ за високи честоти, което означава, че е малко вероятно да се използва за радиочестотни приложения. следователноGaNостава предпочитаният избор за инженерите, които искат да създадат малки усилватели на мощност. Едно решение на проблема с P-тип е комбиниранетоGaNсъс силициеви MOS транзистори P-тип. Въпреки че това предоставя допълнителни възможности, то по своята същност ограничава честотата и ефективността на GaN.

С напредването на технологиите изследователите може в крайна сметка да намерят P-типGaNустройства или допълващи устройства, използващи различни технологии, които могат да се комбинират с GaN. Въпреки това, докато дойде този ден,GaNще продължи да бъде ограничено от технологичните ограничения на нашето време.

Интердисциплинарният характер на изследванията на полупроводниците, включващи науката за материалите, електротехниката и физиката, подчертава съвместните усилия, необходими за преодоляване на настоящите ограничения наGaNтехнология. Потенциални пробиви в разработването на P-типGaNили намирането на подходящи допълнителни материали може не само да подобри производителността на устройствата, базирани на GaN, но и да допринесе за по-широкия пейзаж на полупроводниковите технологии, проправяйки пътя за по-ефективни, компактни и надеждни електронни системи в бъдеще.**

Ние от Semicorex произвеждаме и доставяме вGaNEpi-вафли и други видове вафлиприлагани в производството на полупроводници, ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля, не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка: +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com