GaN monokryštál

Polovodičová technológia je chrbtovou kosťou modernej civilizácie a zásadne mení spôsob, akým žijeme, pracujeme a komunikujeme so svetom. Umožnil bezprecedentný pokrok v rôznych oblastiach vrátane informačných technológií, energetiky, telekomunikácií a zdravotníctva. Od mikroprocesorov, ktoré poháňajú naše smartfóny a počítače, až po senzory v lekárskych prístrojoch a výkonovú elektroniku v systémoch obnoviteľnej energie, polovodiče sú jadrom takmer každej technologickej inovácie minulého storočia.

Prvá generácia polovodičov: germánium a kremík

História polovodičovej techniky začala prvou generáciou polovodičov, predovšetkým germánia (Ge) a kremíka (Si). Tieto materiály sú elementárne polovodiče, čo znamená, že sú zložené z jedného prvku. Najmä kremík bol najrozšírenejším polovodičovým materiálom kvôli jeho množstvu, nákladovej efektívnosti a vynikajúcim elektronickým vlastnostiam. Technológia na báze kremíka dozrela v priebehu desaťročí, čo viedlo k vývoju integrovaných obvodov (IC), ktoré tvoria základ modernej elektroniky. Schopnosť kremíka vytvárať stabilnú a vysokokvalitnú oxidovú vrstvu (oxid kremičitý) bola kritickým faktorom úspechu zariadení typu metal-oxid-semiconductor (MOS), ktoré sú stavebnými kameňmi väčšiny digitálnej elektroniky.

Druhá generácia polovodičov: arzenid gália a fosfid india

Ako sa technológia vyvíjala, obmedzenia kremíka sa ukázali byť zrejmé, najmä vo vysokorýchlostných a vysokofrekvenčných aplikáciách. To viedlo k vývoju druhej generácie polovodičov, ktorá zahŕňa zložené polovodiče ako arzenid gália (GaAs) a fosfid india (InP). Tieto materiály sú známe svojou vynikajúcou mobilitou elektrónov a priamou medzerou v pásme, vďaka čomu sú ideálne pre optoelektronické zariadenia, ako sú diódy vyžarujúce svetlo (LED), laserové diódy a vysokofrekvenčné tranzistory. GaAs sa napríklad široko používa v mikrovlnných a milimetrových vlnových komunikačných systémoch, ako aj v satelitných a radarových technológiách. Napriek ich výhodám bolo rozšírené prijatie GaAs a InP obmedzené z dôvodu vyšších nákladov a problémov vo výrobe.

Tretia generácia polovodičov:Karbid kremíkaaNitrid gália

V posledných rokoch sa pozornosť presunula na tretiu generáciu polovodičov, ktorá zahŕňa materiály ako naprkarbid kremíka (SiC)anitrid gália (GaN). Tieto materiály majú široké pásmo, čo znamená, že môžu pracovať pri vyšších napätiach, teplotách a frekvenciách ako ich predchodcovia.GaN, najmä si získal významnú pozornosť pre svoje výnimočné vlastnosti, vrátane širokého pásma 3,4 eV, vysokej mobility elektrónov, vysokého prierazného napätia a vynikajúcej tepelnej vodivosti. Tieto vlastnosti robiaGaNideálny kandidát pre vysokovýkonné a vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú rýchle nabíjačky, výkonové tranzistory a rádiofrekvenčné (RF) mikrovlnné zariadenia.

Kryštálová štruktúra a väzba vGaN

GaNpatrí do III-V skupiny zložených polovodičov, ktoré sú zložené z prvkov zo skupiny III (napr. gálium) a skupiny V (napr. dusík) periodickej tabuľky. Kryštálová štruktúraGaNmôže existovať v dvoch primárnych formách: hexagonálny wurtzit a kubický sfalerit. Typ kryštalickej štruktúry, ktorá sa tvorí, je ovplyvnený povahou chemických väzieb medzi atómami. V polovodičových zlúčeninách môže byť väzba zmesou kovalentných a iónových väzieb. Čím je väzba ióntejšia, tým je pravdepodobnejšie, že materiál vytvorí štruktúru wurtzitu. V prípadeGaN, veľký rozdiel v elektronegativite medzi gáliom (Ga) a dusíkom (N) vedie k výraznému iónovému charakteru vo väzbe. v dôsledku tohoGaNtypicky kryštalizuje v štruktúre wurtzitu, ktorá je známa svojou vysokou tepelnou stabilitou a odolnosťou voči chemickej korózii.

VýhodyGaNViac ako staršie polovodičové materiály

V porovnaní s polovodičovými materiálmi prvej a druhej generácie,GaNponúka niekoľko výhod, vďaka ktorým je obzvlášť atraktívny pre špičkové aplikácie. Jednou z najvýznamnejších výhod je široké pásmo, ktoré umožňuje zariadeniam na báze GaN pracovať pri vyšších napätiach a teplotách bez toho, aby sa pokazili. Vďaka tomu je GaN vynikajúcim materiálom pre výkonovú elektroniku, kde sú kritické záujmy účinnosti a tepelného manažmentu. Okrem toho má GaN nižšiu dielektrickú konštantu, čo pomáha znižovať kapacitu a umožňuje rýchlejšie spínacie rýchlosti v tranzistoroch.

GaNtiež sa môže pochváliť vyššou kritickou intenzitou elektrického poľa, čo umožňuje zariadeniam zvládnuť väčšie elektrické polia bez toho, aby došlo k poruche. Toto je obzvlášť dôležité vo vysokovýkonných aplikáciách, kde je nevyhnutná schopnosť riadiť vysoké napätie a prúdy. Okrem toho vysoká mobilita elektrónov GaN prispieva k jeho vhodnosti pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú RF a mikrovlnné zariadenia. Kombinácia týchto vlastností – vysoká tepelná vodivosť, vysoká teplotná odolnosť a radiačná tvrdosť – robí z GaN všestranný materiál, ktorý je pripravený hrať kľúčovú úlohu v ďalšej generácii elektronických zariadení.

GaNv moderných aplikáciách a perspektívach do budúcnosti

Jedinečné vlastnostiGaNuž začali revolúciu v niekoľkých odvetviach. V spotrebnej elektronike sú rýchlonabíjačky na báze GaN čoraz populárnejšie vďaka svojej účinnosti a kompaktným rozmerom v porovnaní s tradičnými nabíjačkami na báze kremíka. V oblasti telekomunikácií sa GaN používa na vývoj vysokofrekvenčných tranzistorov, ktoré sú nevyhnutné pre siete 5G a mimo nich. Letecký a kozmický a obranný sektor tiež skúma potenciál GaN na použitie vo vysokovýkonných radarových a komunikačných systémoch, kde je jeho schopnosť fungovať v extrémnych podmienkach neoceniteľná.