Mga Kalamangan at Kahinaan ng Mga Aplikasyon ng Gallium Nitride (GaN).

Habang naghahanap ang mundo ng mga bagong pagkakataon sa semiconductors,gallium nitrideay patuloy na namumukod-tangi bilang isang potensyal na kandidato para sa hinaharap na kapangyarihan at mga aplikasyon ng RF. Gayunpaman, para sa lahat ng mga benepisyong inaalok nito, nahaharap pa rin ito sa isang malaking hamon; walang mga produktong P-type (P-type). Bakit itinuturing ang GaN bilang susunod na pangunahing materyal na semiconductor, bakit ang kakulangan ng mga P-type na GaN na aparato ay isang pangunahing disbentaha, at ano ang ibig sabihin nito para sa mga disenyo sa hinaharap?

Sa electronics, apat na katotohanan ang nanatili mula noong unang pumasok sa merkado ang mga elektronikong device: kailangan nilang maging kasing liit hangga't maaari, kasing mura hangga't maaari, magbigay ng mas maraming kapangyarihan hangga't maaari, at kumonsumo ng kaunting kapangyarihan hangga't maaari. Isinasaalang-alang na ang mga kinakailangang ito ay madalas na nagkakasalungat sa isa't isa, ang pagsisikap na lumikha ng perpektong elektronikong aparato na maaaring matupad ang apat na kinakailangang ito ay isang maliit na pangarap, ngunit hindi ito huminto sa mga inhinyero na gawin ang lahat ng kanilang makakaya upang maisakatuparan ito.

Gamit ang apat na gabay na prinsipyong ito, nagtagumpay ang mga inhinyero sa pagtupad ng iba't ibang tila imposibleng mga gawain, na ang mga computer ay lumiliit mula sa mga device na kasing laki ng kwarto hanggang sa mga chip na mas maliit kaysa sa isang butil ng bigas, mga smartphone na nagbibigay-daan sa wireless na komunikasyon at pag-access sa Internet, at mga virtual reality system. na maaari na ngayong magsuot at magamit nang hiwalay sa host computer. Gayunpaman, habang ang mga inhinyero ay lumalapit sa mga pisikal na limitasyon ng mga karaniwang ginagamit na materyales tulad ng silikon, ang paggawa ng mga aparato na mas maliit at paggamit ng mas kaunting kapangyarihan ay nagiging imposible na ngayon.

Bilang resulta, ang mga mananaliksik ay patuloy na naghahanap ng mga bagong materyales na maaaring palitan ang mga karaniwang materyales at patuloy na makapagbigay ng mas maliliit na device na tumatakbo nang mas mahusay. Ang Gallium nitride (GaN) ay isang materyal na nakakaakit ng maraming atensyon, kumpara sa silikon, para sa mga malinaw na dahilan.

GaNhigit na kahusayan

Una, ang GaN ay nagsasagawa ng kuryente nang 1,000 beses na mas mahusay kaysa sa silikon, na nagpapahintulot dito na gumana sa mas mataas na mga alon. Nangangahulugan ito na ang mga GaN device ay maaaring tumakbo sa makabuluhang mas mataas na kapangyarihan nang hindi gumagawa ng maraming init, at sa gayon ay maaaring gawing mas maliit para sa parehong ibinigay na kapangyarihan.

Bagama't ang thermal conductivity ng GaN ay bahagyang mas mababa kaysa sa silicon, ang mga bentahe ng thermal management nito ay nagbubukas ng mga bagong paraan para sa high-power electronics. Ito ay lalong mahalaga para sa mga application kung saan ang espasyo ay nasa isang premium at ang mga cooling solution ay kailangang mabawasan, tulad ng aerospace at automotive electronics, at ang kakayahan ng GaN device na mapanatili ang pagganap sa mataas na temperatura ay higit na nagha-highlight sa kanilang potensyal para sa malupit na mga application sa kapaligiran.

Pangalawa, ang mas malaking bandgap ng GaN (3.4eV vs. 1.1eV) ay nagbibigay-daan para magamit sa mas mataas na boltahe bago ang dielectric breakdown. Bilang isang resulta, ang GaN ay hindi lamang may kakayahang maghatid ng mas maraming kapangyarihan, ngunit magagawa ito sa mas mataas na boltahe habang pinapanatili ang mas mataas na kahusayan.

Ang mataas na electron mobility ay nagpapahintulot din sa GaN na magamit sa mas mataas na frequency. Dahil sa kadahilanang ito, kritikal ang GaN para sa mga RF power application na gumagana nang mas mataas sa hanay ng GHz (isang bagay na pinaghihirapan ng silicon).

Gayunpaman, ang silicon ay bahagyang mas mahusay kaysa sa GaN sa mga tuntunin ng thermal conductivity, na nangangahulugan na ang mga GaN device ay may mas mataas na mga kinakailangan sa thermal kaysa sa mga silicon na aparato. Bilang resulta, nililimitahan ng kakulangan ng thermal conductivity ang kakayahang paliitin ang mga GaN device kapag nagpapatakbo sa mataas na kapangyarihan (dahil ang malalaking tipak ng materyal ay kailangan upang mawala ang init).

GaNAchilles Heel ni - Walang P-Type

Napakahusay na magkaroon ng mga semiconductor na maaaring gumana sa mataas na kapangyarihan sa mataas na frequency, ngunit para sa lahat ng mga pakinabang na inaalok ng GaN, mayroong isang pangunahing disbentaha na lubhang humahadlang sa kakayahang palitan ang silicon sa maraming mga aplikasyon: ang kakulangan ng mga P-type.

Masasabing, ang isa sa mga pangunahing layunin ng mga bagong natuklasang materyales na ito ay ang kapansin-pansing pagtaas ng kahusayan at pagsuporta sa mas mataas na kapangyarihan at boltahe, at walang duda na ang kasalukuyang GaN transistors ay makakamit ito. Gayunpaman, habang ang mga indibidwal na transistor ng GaN ay nag-aalok ng ilang mga kahanga-hangang katangian, ang katotohanan na ang lahat ng kasalukuyang komersyal na GaN na aparato ay N-type ay nakompromiso ang kanilang kakayahang maging lubhang mahusay.

Upang maunawaan kung bakit ito ang kaso, kailangan nating tingnan kung paano gumagana ang NMOS at CMOS logic. Ang NMOS logic ay isang napakasikat na teknolohiya noong 1970s at 1980s dahil sa simpleng proseso ng pagmamanupaktura at disenyo nito. Sa pamamagitan ng paggamit ng isang risistor na konektado sa pagitan ng power supply at drain ng isang N-type na MOS transistor, ang gate ng transistor na iyon ay kayang kontrolin ang boltahe sa drain ng MOS transistor, na epektibong nagpapatupad ng non-gate. Kapag pinagsama sa iba pang mga transistor ng NMOS, posibleng gawin ang lahat ng bahagi ng logic, kabilang ang AND, OR, XOR at mga latch.

Gayunpaman, kahit na ang pamamaraan na ito ay simple, ito ay gumagamit ng mga resistors upang magbigay ng kapangyarihan, na nangangahulugan na ang maraming kapangyarihan ay nasasayang sa mga resistors kapag ang NMOS transistors ay naka-on. Para sa isang gate, ang pagkawala ng kuryente na ito ay minimal, ngunit maaaring tumaas kapag nag-scale sa maliliit na 8-bit na CPU, na maaaring magpainit sa device at limitahan ang bilang ng mga aktibong device sa isang chip.