Fordele og ulemper ved Gallium Nitride (GaN) applikationer

Mens verden leder efter nye muligheder inden for halvledere,galliumnitridfortsætter med at skille sig ud som en potentiel kandidat til fremtidige strøm- og RF-applikationer. Men på trods af alle de fordele, det tilbyder, står det stadig over for en stor udfordring; der er ingen P-type (P-type) produkter. Hvorfor er GaN udråbt som det næste store halvledermateriale, hvorfor er manglen på P-type GaN-enheder en stor ulempe, og hvad betyder det for fremtidige designs?

Inden for elektronik har fire fakta bestået, siden de første elektroniske enheder kom på markedet: De skal være så små som muligt, så billige som muligt, levere så meget strøm som muligt og forbruge så lidt strøm som muligt. I betragtning af, at disse krav ofte modsiger hinanden, er det lidt af en drøm at forsøge at skabe den perfekte elektroniske enhed, der kan opfylde disse fire krav, men det har ikke afholdt ingeniører fra at gøre alt, hvad de kan for at få det til at ske.

Ved at bruge disse fire vejledende principper er det lykkedes ingeniører at udføre en række tilsyneladende umulige opgaver, hvor computere krymper fra enheder i rumstørrelse til chips mindre end et riskorn, smartphones, der tillader trådløs kommunikation og adgang til internettet, og virtual reality-systemer som nu kan bæres og bruges uafhængigt af værtscomputeren. Men efterhånden som ingeniører nærmer sig de fysiske grænser for almindeligt anvendte materialer som silicium, bliver det nu umuligt at gøre enheder mindre og bruge mindre strøm.

Som et resultat søger forskere konstant efter nye materialer, der muligvis kan erstatte sådanne almindelige materialer og fortsætte med at levere mindre enheder, der kører mere effektivt. Galliumnitrid (GaN) er et materiale, der har tiltrukket sig meget opmærksomhed sammenlignet med silicium af indlysende årsager.

GaN's overlegne effektivitet

For det første leder GaN elektricitet 1.000 gange mere effektivt end silicium, hvilket gør det muligt for det at fungere ved højere strømme. Det betyder, at GaN-enheder kan køre med markant højere effekt uden at generere meget varme, og dermed kan gøres mindre for den samme givne effekt.

Selvom GaNs termiske ledningsevne er lidt lavere end siliciums, åbner dens termiske styringsfordele op for nye muligheder for højeffektelektronik. Dette er især vigtigt for applikationer, hvor pladsen er begrænset, og køleløsninger skal minimeres, såsom rumfart og bilelektronik, og GaN-enheders evne til at opretholde ydeevnen ved høje temperaturer fremhæver yderligere deres potentiale for applikationer i barske miljøer.

For det andet tillader det større båndgab af GaN (3,4 eV vs. 1,1 eV) brug ved højere spændinger før dielektrisk nedbrydning. Som et resultat er GaN ikke kun i stand til at levere mere strøm, men kan gøre det ved højere spændinger og samtidig bevare en højere effektivitet.

Den høje elektronmobilitet gør det også muligt at bruge GaN ved højere frekvenser. Denne faktor gør GaN kritisk for RF-strømapplikationer, der fungerer langt over GHz-området (noget som silicium kæmper med).

Silicium er dog lidt bedre end GaN med hensyn til termisk ledningsevne, hvilket betyder, at GaN-enheder har større termiske krav end silicium-enheder. Som et resultat begrænser manglen på termisk ledningsevne evnen til at krympe GaN-enheder, når de opererer ved høj effekt (fordi store bidder af materiale er nødvendige for at sprede varme).

GaN's akilleshæl - ingen P-type

Det er fantastisk at have halvledere, der kan fungere ved høj effekt ved høje frekvenser, men på trods af alle de fordele, GaN tilbyder, er der én stor ulempe, som alvorligt hæmmer dens evne til at erstatte silicium i mange applikationer: manglen på P-typer.

Nok er et af hovedformålene med disse nyopdagede materialer at øge effektiviteten dramatisk og understøtte højere effekt og spænding, og der er ingen tvivl om, at nuværende GaN-transistorer kan opnå dette. Men mens individuelle GaN-transistorer tilbyder nogle imponerende egenskaber, kompromitterer det faktum, at alle nuværende kommercielle GaN-enheder er N-type, deres evne til at være ekstremt effektive.

For at forstå, hvorfor dette er tilfældet, skal vi se på, hvordan NMOS- og CMOS-logik fungerer. NMOS-logik var en meget populær teknologi i 1970'erne og 1980'erne på grund af dens enkle fremstillingsproces og design. Ved at bruge en enkelt modstand forbundet mellem strømforsyningen og afløbet af en N-type MOS-transistor, er denne transistors gate i stand til at styre spændingen ved afløbet af MOS-transistoren, hvilket effektivt implementerer en ikke-gate. Når det kombineres med andre NMOS-transistorer, er det muligt at skabe alle logiske komponenter, inklusive AND, OR, XOR og latches.

Men selvom denne teknik er enkel, bruger den modstande til at levere strøm, hvilket betyder, at der spildes meget strøm på modstandene, når NMOS-transistorerne er tændt. For en enkelt gate er dette strømtab minimalt, men det kan stige ved skalering til små 8-bit CPU'er, hvilket kan varme enheden op og begrænse antallet af aktive enheder på en enkelt chip.