Výhody a nevýhody aplikácií nitridu gália (GaN).

Keď svet hľadá nové príležitosti v oblasti polovodičov,nitrid gálianaďalej vyčnieva ako potenciálny kandidát pre budúce energetické a RF aplikácie. Napriek všetkým výhodám, ktoré ponúka, však stále čelí veľkej výzve; neexistujú žiadne produkty typu P (typ P). Prečo je GaN ponúkaný ako ďalší hlavný polovodičový materiál, prečo je nedostatok zariadení GaN typu P hlavnou nevýhodou a čo to znamená pre budúce návrhy?

V elektronike od príchodu prvých elektronických zariadení na trh pretrvávajú štyri fakty: musia byť čo najmenšie, čo najlacnejšie, poskytovať čo najviac energie a spotrebúvať čo najmenej energie. Vzhľadom na to, že tieto požiadavky si často protirečia, je snaha o vytvorenie dokonalého elektronického zariadenia, ktoré dokáže splniť tieto štyri požiadavky, tak trochu snom, ale to nezabránilo inžinierom urobiť všetko, čo je v ich silách, aby sa to podarilo.

Pomocou týchto štyroch hlavných princípov inžinieri uspeli pri realizácii rôznych zdanlivo nemožných úloh, pričom počítače sa zmenšili zo zariadení s veľkosťou miestnosti na čipy menšie ako zrnko ryže, smartfóny umožňujúce bezdrôtovú komunikáciu a prístup na internet a systémy virtuálnej reality. ktoré je teraz možné nosiť a používať nezávisle od hostiteľského počítača. Keď sa však inžinieri približujú k fyzikálnym limitom bežne používaných materiálov, ako je kremík, zmenšovanie zariadení a spotrebovanie menšieho množstva energie sa stáva nemožným.

Výsledkom je, že výskumníci neustále hľadajú nové materiály, ktoré by mohli nahradiť takéto bežné materiály a naďalej poskytovať menšie zariadenia, ktoré fungujú efektívnejšie. Nitrid gália (GaN) je materiál, ktorý pritiahol veľkú pozornosť v porovnaní s kremíkom z pochopiteľných dôvodov.

GaNvynikajúca účinnosť

Po prvé, GaN vedie elektrinu 1000-krát efektívnejšie ako kremík, čo mu umožňuje pracovať pri vyšších prúdoch. To znamená, že zariadenia GaN môžu bežať pri výrazne vyššom výkone bez vytvárania veľkého množstva tepla, a teda môžu byť menšie pri rovnakom danom výkone.

Hoci tepelná vodivosť GaN je o niečo nižšia ako u kremíka, jeho výhody tepelného manažmentu otvárajú nové možnosti pre vysokovýkonnú elektroniku. Toto je obzvlášť dôležité pre aplikácie, kde je priestor na prvom mieste a chladiace riešenia je potrebné minimalizovať, ako je letecká a automobilová elektronika, a schopnosť zariadení GaN udržiavať výkon pri vysokých teplotách ďalej zvýrazňuje ich potenciál pre aplikácie v drsnom prostredí.

Po druhé, väčšia bandgap GaN (3,4 eV oproti 1,1 eV) umožňuje použitie pri vyšších napätiach pred dielektrickým prierazom. Výsledkom je, že GaN je nielen schopný dodať väčší výkon, ale dokáže to aj pri vyššom napätí pri zachovaní vyššej účinnosti.

Vysoká mobilita elektrónov tiež umožňuje použitie GaN pri vyšších frekvenciách. Tento faktor robí GaN kritickým pre aplikácie RF napájania, ktoré fungujú vysoko nad rozsahom GHz (niečo, s čím kremík zápasí).

Kremík je však z hľadiska tepelnej vodivosti o niečo lepší ako GaN, čo znamená, že GaN zariadenia majú väčšie tepelné požiadavky ako kremíkové zariadenia. V dôsledku toho nedostatok tepelnej vodivosti obmedzuje schopnosť zmršťovania zariadení GaN pri prevádzke s vysokým výkonom (pretože na odvádzanie tepla sú potrebné veľké kusy materiálu).

GaNAchillova päta – bez typu P

Je skvelé mať polovodiče, ktoré dokážu pracovať s vysokým výkonom pri vysokých frekvenciách, ale napriek všetkým výhodám, ktoré GaN ponúka, je tu jedna veľká nevýhoda, ktorá vážne bráni jeho schopnosti nahradiť kremík v mnohých aplikáciách: nedostatok P-typov.

Jedným z hlavných cieľov týchto novoobjavených materiálov je pravdepodobne dramatické zvýšenie účinnosti a podpora vyššieho výkonu a napätia a niet pochýb o tom, že súčasné tranzistory GaN to dokážu dosiahnuť. Aj keď jednotlivé tranzistory GaN ponúkajú niektoré pôsobivé vlastnosti, skutočnosť, že všetky súčasné komerčné zariadenia GaN sú typu N, ohrozuje ich schopnosť byť extrémne efektívne.

Aby sme pochopili, prečo je to tak, musíme sa pozrieť na to, ako funguje logika NMOS a CMOS. Logika NMOS bola v 70. a 80. rokoch minulého storočia veľmi populárnou technológiou vďaka jednoduchému výrobnému procesu a dizajnu. Použitím jediného odporu pripojeného medzi napájací zdroj a kolektor MOS tranzistora typu N je hradlo tohto tranzistora schopné riadiť napätie na odbere tranzistora MOS, čím efektívne implementuje nebráno. V kombinácii s inými tranzistormi NMOS je možné vytvoriť všetky logické komponenty vrátane AND, OR, XOR a západiek.

Aj keď je táto technika jednoduchá, na dodávanie energie používa odpory, čo znamená, že pri zapnutých tranzistoroch NMOS sa na rezistoroch plytvá veľa energie. Pre jednu bránu je táto strata energie minimálna, ale môže sa zvýšiť pri škálovaní na malé 8-bitové CPU, čo môže zahriať zariadenie a obmedziť počet aktívnych zariadení na jednom čipe.