Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Εφαρμογών Νιτριδίου του Γαλίου (GaN).

Καθώς ο κόσμος αναζητά νέες ευκαιρίες στους ημιαγωγούς,νιτρίδιο του γαλλίουσυνεχίζει να ξεχωρίζει ως πιθανός υποψήφιος για μελλοντικές εφαρμογές ισχύος και ραδιοσυχνοτήτων. Ωστόσο, παρά τα πλεονεκτήματα που προσφέρει, εξακολουθεί να αντιμετωπίζει μια μεγάλη πρόκληση. δεν υπάρχουν προϊόντα τύπου P (τύπου P). Γιατί το GaN διαφημίζεται ως το επόμενο σημαντικό υλικό ημιαγωγών, γιατί η έλλειψη συσκευών GaN τύπου P είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα και τι σημαίνει αυτό για μελλοντικά σχέδια;

Στα ηλεκτρονικά, τέσσερα γεγονότα επιμένουν από τότε που οι πρώτες ηλεκτρονικές συσκευές κυκλοφόρησαν στην αγορά: πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες, όσο το δυνατόν πιο φθηνές, να παρέχουν όσο το δυνατόν περισσότερη ισχύ και να καταναλώνουν όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αυτές οι απαιτήσεις συχνά έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους, η προσπάθεια δημιουργίας της τέλειας ηλεκτρονικής συσκευής που μπορεί να εκπληρώσει αυτές τις τέσσερις απαιτήσεις είναι λίγο όνειρο, αλλά αυτό δεν εμπόδισε τους μηχανικούς να κάνουν ό,τι μπορούν για να το πραγματοποιήσουν.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις τέσσερις κατευθυντήριες αρχές, οι μηχανικοί κατάφεραν να ολοκληρώσουν μια ποικιλία φαινομενικά αδύνατων εργασιών, με υπολογιστές να συρρικνώνονται από συσκευές μεγέθους δωματίου σε τσιπς μικρότερα από έναν κόκκο ρυζιού, smartphone που επιτρέπουν ασύρματη επικοινωνία και πρόσβαση στο Διαδίκτυο και συστήματα εικονικής πραγματικότητας που μπορεί πλέον να φορεθεί και να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα από τον κεντρικό υπολογιστή. Ωστόσο, καθώς οι μηχανικοί πλησιάζουν τα φυσικά όρια των κοινώς χρησιμοποιούμενων υλικών όπως το πυρίτιο, το να κάνουν τις συσκευές μικρότερες και να χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια είναι πλέον αδύνατον.

Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές αναζητούν συνεχώς νέα υλικά που μπορεί να είναι σε θέση να αντικαταστήσουν τέτοια κοινά υλικά και συνεχίζουν να παρέχουν μικρότερες συσκευές που λειτουργούν πιο αποτελεσματικά. Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) είναι ένα υλικό που έχει προσελκύσει πολλή προσοχή, σε σύγκριση με το πυρίτιο, για προφανείς λόγους.

GaNανώτερη αποτελεσματικότητα του

Πρώτον, το GaN άγει ηλεκτρισμό 1.000 φορές πιο αποτελεσματικά από το πυρίτιο, επιτρέποντάς του να λειτουργεί σε υψηλότερα ρεύματα. Αυτό σημαίνει ότι οι συσκευές GaN μπορούν να λειτουργούν με σημαντικά υψηλότερη ισχύ χωρίς να παράγουν πολλή θερμότητα και έτσι μπορούν να γίνουν μικρότερες για την ίδια δεδομένη ισχύ.

Αν και η θερμική αγωγιμότητα του GaN είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή του πυριτίου, τα πλεονεκτήματα της θερμικής διαχείρισης ανοίγουν νέους δρόμους για ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για εφαρμογές όπου ο χώρος είναι κορυφαίος και οι λύσεις ψύξης πρέπει να ελαχιστοποιηθούν, όπως η αεροδιαστημική και τα ηλεκτρονικά αυτοκίνητα, και η ικανότητα των συσκευών GaN να διατηρούν την απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες υπογραμμίζει περαιτέρω τις δυνατότητές τους για εφαρμογές σκληρού περιβάλλοντος.

Δεύτερον, το μεγαλύτερο διάκενο ζώνης GaN (3,4eV έναντι 1,1eV) επιτρέπει τη χρήση σε υψηλότερες τάσεις πριν από τη διηλεκτρική βλάβη. Ως αποτέλεσμα, το GaN δεν είναι μόνο ικανό να παρέχει περισσότερη ισχύ, αλλά μπορεί να το κάνει σε υψηλότερες τάσεις διατηρώντας παράλληλα υψηλότερη απόδοση.

Η υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων επιτρέπει επίσης τη χρήση του GaN σε υψηλότερες συχνότητες. Αυτός ο παράγοντας καθιστά το GaN κρίσιμο για εφαρμογές ισχύος ραδιοσυχνοτήτων που λειτουργούν πολύ πάνω από το εύρος των GHz (κάτι με το οποίο παλεύει το πυρίτιο).

Ωστόσο, το πυρίτιο είναι ελαφρώς καλύτερο από το GaN όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα, πράγμα που σημαίνει ότι οι συσκευές GaN έχουν μεγαλύτερες θερμικές απαιτήσεις από τις συσκευές πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, η έλλειψη θερμικής αγωγιμότητας περιορίζει την ικανότητα συρρίκνωσης των συσκευών GaN όταν λειτουργούν με υψηλή ισχύ (επειδή χρειάζονται μεγάλα κομμάτια υλικού για τη διάχυση της θερμότητας).

GaNΑχίλλειο πτέρνα - Χωρίς P-Type

Είναι υπέροχο να έχουμε ημιαγωγούς που μπορούν να λειτουργούν σε υψηλή ισχύ σε υψηλές συχνότητες, αλλά παρ' όλα τα πλεονεκτήματα που προσφέρει το GaN, υπάρχει ένα σημαντικό μειονέκτημα που παρεμποδίζει σοβαρά την ικανότητά του να αντικαθιστά το πυρίτιο σε πολλές εφαρμογές: η έλλειψη τύπων P.

Αναμφισβήτητα, ένας από τους κύριους στόχους αυτών των υλικών που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα είναι να αυξήσουν δραματικά την απόδοση και να υποστηρίξουν υψηλότερη ισχύ και τάση, και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα τρέχοντα τρανζίστορ GaN μπορούν να το επιτύχουν. Ωστόσο, ενώ τα μεμονωμένα τρανζίστορ GaN προσφέρουν μερικές εντυπωσιακές ιδιότητες, το γεγονός ότι όλες οι τρέχουσες εμπορικές συσκευές GaN είναι τύπου Ν υπονομεύει την ικανότητά τους να είναι εξαιρετικά αποδοτικές.

Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό, πρέπει να δούμε πώς λειτουργεί η λογική NMOS και CMOS. Η λογική NMOS ήταν μια πολύ δημοφιλής τεχνολογία στις δεκαετίες του 1970 και του 1980 λόγω της απλής διαδικασίας κατασκευής και σχεδίασης. Χρησιμοποιώντας μία μόνο αντίσταση συνδεδεμένη μεταξύ της τροφοδοσίας και της αποστράγγισης ενός τρανζίστορ MOS τύπου N, η πύλη αυτού του τρανζίστορ είναι σε θέση να ελέγχει την τάση στην αποστράγγιση του τρανζίστορ MOS, υλοποιώντας αποτελεσματικά μια μη πύλη. Όταν συνδυάζονται με άλλα τρανζίστορ NMOS, είναι δυνατό να δημιουργηθούν όλα τα λογικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των AND, OR, XOR και μάνδαλων.

Ωστόσο, αν και αυτή η τεχνική είναι απλή, χρησιμοποιεί αντιστάσεις για την παροχή ισχύος, πράγμα που σημαίνει ότι χάνεται πολλή ισχύς στις αντιστάσεις όταν τα τρανζίστορ NMOS είναι ενεργοποιημένα. Για μία μόνο πύλη, αυτή η απώλεια ισχύος είναι ελάχιστη, αλλά μπορεί να αυξηθεί κατά την κλιμάκωση σε μικρές CPU 8-bit, γεγονός που μπορεί να θερμάνει τη συσκευή και να περιορίσει τον αριθμό των ενεργών συσκευών σε ένα μόνο τσιπ.