Voor- en nadelen van galliumnitride (GaN)-toepassingen

Terwijl de wereld zoekt naar nieuwe mogelijkheden op het gebied van halfgeleiders,galliumnitrideblijft zich onderscheiden als potentiële kandidaat voor toekomstige stroom- en RF-toepassingen. Ondanks alle voordelen die het biedt, staat het echter nog steeds voor een grote uitdaging; er zijn geen P-type (P-type) producten. Waarom wordt GaN aangeprezen als het volgende grote halfgeleidermateriaal, waarom is het ontbreken van GaN-apparaten van het P-type een groot nadeel, en wat betekent dit voor toekomstige ontwerpen?

Op het gebied van de elektronica zijn er vier feiten blijven bestaan ​​sinds de eerste elektronische apparaten op de markt kwamen: ze moeten zo klein mogelijk zijn, zo goedkoop mogelijk, zoveel mogelijk stroom leveren en zo min mogelijk stroom verbruiken. Gezien het feit dat deze eisen elkaar vaak tegenspreken, is het een beetje een droom om het perfecte elektronische apparaat te creëren dat aan deze vier eisen kan voldoen, maar dat weerhoudt ingenieurs er niet van om er alles aan te doen om het waar te maken.

Met behulp van deze vier leidende principes zijn ingenieurs erin geslaagd een verscheidenheid aan schijnbaar onmogelijke taken uit te voeren, waarbij computers zijn gekrompen van apparaten ter grootte van een kamer tot chips die kleiner zijn dan een rijstkorrel, smartphones die draadloze communicatie en toegang tot internet mogelijk maken, en virtual reality-systemen. die nu onafhankelijk van de hostcomputer kan worden gedragen en gebruikt. Nu ingenieurs echter de fysieke grenzen naderen van veelgebruikte materialen zoals silicium, wordt het kleiner maken van apparaten en het verbruiken van minder stroom nu onmogelijk.

Als gevolg hiervan zijn onderzoekers voortdurend op zoek naar nieuwe materialen die dergelijke veel voorkomende materialen kunnen vervangen en kleinere apparaten blijven leveren die efficiënter werken. Galliumnitride (GaN) is een materiaal dat om voor de hand liggende redenen veel aandacht heeft getrokken in vergelijking met silicium.

GaN's superieure efficiëntie

Ten eerste geleidt GaN elektriciteit duizend keer efficiënter dan silicium, waardoor het bij hogere stromen kan werken. Dit betekent dat GaN-apparaten op een aanzienlijk hoger vermogen kunnen werken zonder veel warmte te genereren, en dus kleiner kunnen worden gemaakt voor hetzelfde gegeven vermogen.

Hoewel de thermische geleidbaarheid van GaN iets lager is dan die van silicium, openen de voordelen op het gebied van thermisch beheer nieuwe wegen voor krachtige elektronica. Dit is vooral belangrijk voor toepassingen waarbij de ruimte schaars is en koeloplossingen moeten worden geminimaliseerd, zoals de ruimtevaart- en auto-elektronica. Het vermogen van GaN-apparaten om de prestaties bij hoge temperaturen te behouden onderstreept nog eens hun potentieel voor toepassingen in ruwe omgevingen.

Ten tweede maakt de grotere bandafstand van GaN (3,4 eV versus 1,1 eV) gebruik bij hogere spanningen mogelijk vóór diëlektrische doorslag. Als gevolg hiervan is GaN niet alleen in staat meer vermogen te leveren, maar kan dit ook bij hogere spanningen gebeuren met behoud van een hoger rendement.

Dankzij de hoge elektronenmobiliteit kan GaN ook bij hogere frequenties worden gebruikt. Deze factor maakt GaN van cruciaal belang voor RF-vermogenstoepassingen die ver boven het GHz-bereik werken (iets waar silicium moeite mee heeft).

Silicium is echter iets beter dan GaN wat betreft thermische geleidbaarheid, wat betekent dat GaN-apparaten hogere thermische eisen stellen dan siliciumapparaten. Als gevolg hiervan beperkt het gebrek aan thermische geleidbaarheid het vermogen om GaN-apparaten te verkleinen wanneer ze op hoog vermogen werken (omdat er grote stukken materiaal nodig zijn om warmte af te voeren).

GaN's achilleshiel - geen P-type

Het is geweldig om halfgeleiders te hebben die met een hoog vermogen en hoge frequenties kunnen werken, maar ondanks alle voordelen die GaN biedt, is er één groot nadeel dat de mogelijkheid om silicium in veel toepassingen te vervangen ernstig belemmert: het ontbreken van P-types.

Een van de belangrijkste doelstellingen van deze nieuw ontdekte materialen is ongetwijfeld het dramatisch verhogen van de efficiëntie en het ondersteunen van een hoger vermogen en hogere spanning, en er bestaat geen twijfel over dat de huidige GaN-transistoren dit kunnen bereiken. Hoewel individuele GaN-transistors een aantal indrukwekkende eigenschappen bieden, compromitteert het feit dat alle huidige commerciële GaN-apparaten van het N-type zijn hun vermogen om extreem efficiënt te zijn.

Om te begrijpen waarom dit het geval is, moeten we kijken naar hoe NMOS- en CMOS-logica werken. NMOS-logica was een zeer populaire technologie in de jaren zeventig en tachtig vanwege het eenvoudige productieproces en ontwerp. Door een enkele weerstand te gebruiken die is aangesloten tussen de voeding en de afvoer van een N-type MOS-transistor, kan de poort van die transistor de spanning aan de afvoer van de MOS-transistor regelen, waardoor effectief een niet-poort wordt geïmplementeerd. In combinatie met andere NMOS-transistors is het mogelijk om alle logische componenten te creëren, inclusief AND, OR, XOR en grendels.

Hoewel deze techniek eenvoudig is, worden er echter weerstanden gebruikt om stroom te leveren, wat betekent dat er veel stroom wordt verspild aan de weerstanden wanneer de NMOS-transistoren aan staan. Voor een enkele poort is dit vermogensverlies minimaal, maar kan toenemen bij het schalen naar kleine 8-bit CPU's, waardoor het apparaat kan opwarmen en het aantal actieve apparaten op een enkele chip kan worden beperkt.