Ang Nakamamatay na Kapintasan ng GaN

Habang naghahanap ang mundo ng mga bagong pagkakataon sa larangan ng semiconductor,Gallium Nitride (GaN)ay patuloy na namumukod-tangi bilang isang potensyal na kandidato para sa hinaharap na kapangyarihan at mga aplikasyon ng RF. Gayunpaman, sa kabila ng maraming benepisyo nito, nahaharap ang GaN sa isang malaking hamon: ang kawalan ng mga produktong P-type. Bakit angGaNtinawag na susunod na pangunahing materyal na semiconductor, bakit isang kritikal na disbentaha ang kakulangan ng mga P-type na GaN device, at ano ang ibig sabihin nito para sa mga disenyo sa hinaharap?

Bakit angGaNPinarangalan bilang Susunod na Major Semiconductor Material?

Sa larangan ng electronics, apat na katotohanan ang nanatili mula noong unang pumasok sa merkado ang mga elektronikong device: kailangang gawin ang mga ito bilang maliit hangga't maaari, kasing mura hangga't maaari, mag-alok ng mas maraming kapangyarihan hangga't maaari, at kumonsumo ng kaunting kapangyarihan hangga't maaari. Dahil ang mga kinakailangang ito ay madalas na magkasalungat sa isa't isa, ang pagtatangkang gumawa ng perpektong elektronikong aparato na nakakatugon sa lahat ng apat na kinakailangan ay tila isang panaginip. Gayunpaman, hindi nito napigilan ang mga inhinyero sa pagsisikap na makamit ito.

Gamit ang apat na gabay na prinsipyong ito, nagawa ng mga inhinyero ang iba't ibang tila imposibleng gawain. Lumiit ang mga computer mula sa mga makinang kasing laki ng kwarto hanggang sa mga chip na mas maliit kaysa sa isang butil ng bigas, pinapagana na ngayon ng mga smartphone ang wireless na komunikasyon at pag-access sa internet, at ang mga virtual reality system ay maaari na ngayong magsuot at magamit nang hiwalay sa isang host. Gayunpaman, habang ang mga inhinyero ay lumalapit sa mga pisikal na limitasyon ng mga karaniwang ginagamit na materyales tulad ng silicon, ang paggawa ng mga device na mas maliit at kumonsumo ng mas kaunting kapangyarihan ay naging lalong mahirap.

Dahil dito, ang mga mananaliksik ay patuloy na naghahanap ng mga bagong materyales na posibleng palitan ang mga karaniwang materyales at patuloy na mag-alok ng mas maliit, mas mahusay na mga device.Gallium Nitride (GaN)ay isang materyal na nakakuha ng makabuluhang pansin, at ang mga dahilan ay maliwanag kung ihahambing sa silikon.

Ano ang GumagawaGallium NitridePambihirang Mahusay?

Una, ang electrical conductivity ng GaN ay 1000 beses na mas mataas kaysa sa silicon, na nagbibigay-daan dito upang gumana sa mas mataas na agos. Ibig sabihin nitoGaNmaaaring tumakbo ang mga device sa mas mataas na antas ng kuryente nang hindi gumagawa ng labis na init, na nagpapahintulot sa mga ito na gawing mas maliit para sa isang naibigay na output ng kuryente.

Sa kabila ng bahagyang mas mababang thermal conductivity ng GaN kumpara sa silicon, ang mga bentahe ng heat management nito ay nagbibigay daan para sa mga bagong paraan sa high-power electronics. Ito ay partikular na mahalaga para sa mga application kung saan ang espasyo ay nasa isang premium at ang mga solusyon sa paglamig ay kailangang mabawasan, tulad ng sa aerospace at automotive electronics.GaNAng kakayahan ng mga device na mapanatili ang pagganap sa mataas na temperatura ay higit na nagtatampok sa kanilang potensyal sa malupit na mga application sa kapaligiran.

Pangalawa, ang mas malaking band gap ng GaN (3.4eV kumpara sa 1.1eV) ay nagpapahintulot na magamit ito sa mas mataas na boltahe bago ang dielectric breakdown. Dahil dito,GaNhindi lamang nag-aalok ng mas malaking kapangyarihan ngunit maaari ring gumana sa mas mataas na boltahe habang pinapanatili ang mas mataas na kahusayan.

Pinahihintulutan din ang mataas na mobility ng elektronGaNna gagamitin sa mas mataas na frequency. Dahil sa kadahilanang ito, mahalaga ang GaN para sa mga RF power na application na gumagana nang mas mataas sa hanay ng GHz, na pinaghihirapang hawakan ng silicon. Gayunpaman, sa mga tuntunin ng thermal conductivity, ang silikon ay bahagyang lumalampas sa pagganapGaN, ibig sabihin, ang mga GaN device ay may mas malaking thermal requirement kumpara sa mga silicone device. Bilang isang resulta, ang kakulangan ng thermal conductivity ay naglilimita sa kakayahang mag-miniaturizeGaNmga aparato para sa mga pagpapatakbo ng mataas na kapangyarihan, dahil ang mas malalaking volume ng materyal ay kinakailangan para sa pagwawaldas ng init.

Ano ang Fatal Flaw ngGaN—Kakulangan ng P-type?

Ang pagkakaroon ng isang semiconductor na may kakayahang gumana sa mataas na kapangyarihan at mataas na frequency ay mahusay. Gayunpaman, sa kabila ng lahat ng mga pakinabang nito, ang GaN ay may isang malaking depekto na seryosong humahadlang sa kakayahan nitong palitan ang silicon sa maraming mga aplikasyon: ang kakulangan ng mga P-type na GaN device.

Isa sa mga pangunahing layunin ng mga bagong tuklas na materyales na ito ay upang makabuluhang mapabuti ang kahusayan at suportahan ang mas mataas na kapangyarihan at boltahe, at walang duda na ang kasalukuyangGaNmaaaring makamit ito ng mga transistor. Gayunpaman, kahit na ang mga indibidwal na GaN transistors ay maaaring magbigay ng ilang mga kahanga-hangang katangian, ang katotohanan na ang lahat ng kasalukuyang komersyalGaNAng mga device ay N-type na nakakaapekto sa kanilang mga kakayahan sa kahusayan.

Upang maunawaan kung bakit ito ang kaso, kailangan nating tingnan kung paano gumagana ang NMOS at CMOS logic. Dahil sa kanilang simpleng proseso ng pagmamanupaktura at disenyo, ang NMOS logic ay isang napakasikat na teknolohiya noong 1970s at 1980s. Sa pamamagitan ng paggamit ng isang risistor na konektado sa pagitan ng power supply at ng drain ng isang N-type na MOS transistor, ang gate ng transistor na ito ay makokontrol ang drain voltage ng MOS transistor, na epektibong nagpapatupad ng NOT gate. Kapag pinagsama sa iba pang mga transistor ng NMOS, lahat ng elemento ng lohika, kabilang ang AND, OR, XOR, at mga latch, ay maaaring malikha.

Gayunpaman, habang ang teknolohiyang ito ay simple, gumagamit ito ng mga resistors upang magbigay ng kapangyarihan. Nangangahulugan ito na kapag ang NMOS transistors ay nagsasagawa, isang malaking halaga ng kapangyarihan ang nasayang sa mga resistors. Para sa isang indibidwal na gate, ang pagkawala ng kuryente na ito ay minimal, ngunit kapag na-scale hanggang sa isang maliit na 8-bit na CPU, ang pagkawala ng kuryente na ito ay maaaring maipon, pinapainit ang device at nililimitahan ang bilang ng mga aktibong bahagi sa isang chip.

Paano Umunlad ang Teknolohiya ng NMOS sa CMOS?

Sa kabilang banda, ang CMOS ay gumagamit ng P-type at N-type na mga transistor na gumagana nang synergistically sa magkasalungat na paraan. Anuman ang estado ng pag-input ng CMOS logic gate, ang output ng gate ay hindi nagpapahintulot ng koneksyon mula sa kapangyarihan patungo sa lupa, na makabuluhang binabawasan ang pagkawala ng kuryente (tulad ng kapag ang N-type ay nagsasagawa, ang P-type na insulate, at vice versa). Sa katunayan, ang tanging tunay na pagkawala ng kuryente sa mga circuit ng CMOS ay nangyayari sa panahon ng mga transition ng estado, kung saan ang isang lumilipas na koneksyon sa pagitan ng kapangyarihan at lupa ay nabuo sa pamamagitan ng komplementaryong mga pares.

Bumabalik saGaNdevice, dahil ang mga N-type na device lang ang kasalukuyang umiiral, ang tanging available na teknolohiya para saGaNay NMOS, na likas na gutom sa kapangyarihan. Ito ay hindi isang isyu para sa RF amplifier, ngunit ito ay isang pangunahing disbentaha para sa logic circuits.

Habang patuloy na tumataas ang pagkonsumo ng enerhiya sa buong mundo at ang epekto ng teknolohiya sa kapaligiran ay masusing sinusuri, ang pagtugis ng kahusayan sa enerhiya sa electronics ay naging mas kritikal kaysa dati. Ang mga limitasyon sa pagkonsumo ng kuryente ng teknolohiya ng NMOS ay binibigyang-diin ang agarang pangangailangan para sa mga pambihirang tagumpay sa mga materyales ng semiconductor upang mag-alok ng mataas na pagganap at mataas na kahusayan sa enerhiya. Ang pag-unlad ng P-typeGaNo mga alternatibong komplementaryong teknolohiya ay maaaring magmarka ng isang makabuluhang milestone sa paghahanap na ito, na posibleng baguhin ang disenyo ng mga electronic device na matipid sa enerhiya.

Kapansin-pansin, ganap na posible na gumawa ng P-typeGaNmga device, at ang mga ito ay ginamit sa asul na LED light source, kabilang ang Blu-ray. Gayunpaman, habang ang mga device na ito ay sapat para sa optoelectronic na mga kinakailangan, ang mga ito ay malayo sa perpekto para sa digital logic at power application. Halimbawa, ang tanging praktikal na dopant para sa pagmamanupaktura ng P-typeGaNAng mga aparato ay magnesium, ngunit dahil sa mataas na konsentrasyon na kinakailangan, ang hydrogen ay madaling makapasok sa istraktura sa panahon ng pagsusubo, na nakakaapekto sa pagganap ng materyal.

Samakatuwid, ang kawalan ng P-typeGaNpinipigilan ng mga device ang mga inhinyero mula sa ganap na pagsasamantala sa potensyal ng GaN bilang isang semiconductor.

Ano ang Ibig Sabihin Nito para sa Mga Inhinyero sa Hinaharap?

Sa kasalukuyan, maraming materyales ang pinag-aaralan, kasama ang isa pang pangunahing kandidato ay ang silicon carbide (SiC). ParangGaN, kumpara sa silicon, nag-aalok ito ng mas mataas na operating voltage, mas malaking breakdown voltage, at mas mahusay na conductivity. Bukod pa rito, ang mataas na thermal conductivity nito ay nagpapahintulot na magamit ito sa matinding temperatura at mas maliit na sukat habang kinokontrol ang mas malaking kapangyarihan.

Gayunpaman, hindi katuladGaN, hindi angkop ang SiC para sa matataas na frequency, ibig sabihin ay malabong gamitin ito para sa mga RF application. Samakatuwid,GaNnananatiling ginustong pagpipilian para sa mga inhinyero na naghahanap upang lumikha ng maliliit na power amplifier. Isang solusyon sa P-type na isyu ay ang pagsamahinGaNna may P-type na silicon MOS transistors. Bagama't nagbibigay ito ng mga pantulong na kakayahan, likas nitong nililimitahan ang dalas at kahusayan ng GaN.

Habang umuunlad ang teknolohiya, ang mga mananaliksik ay maaaring makakita ng P-typeGaNmga device o mga pantulong na device na gumagamit ng iba't ibang teknolohiya na maaaring isama sa GaN. Gayunpaman, hanggang sa dumating ang araw na iyon,GaNay patuloy na mapipigilan ng mga teknolohikal na limitasyon ng ating panahon.

Ang interdisciplinary na katangian ng semiconductor research, na kinasasangkutan ng mga materyales sa agham, electrical engineering, at physics, ay binibigyang-diin ang pagtutulungang pagsisikap na kailangan upang malampasan ang kasalukuyang mga limitasyon ngGaNteknolohiya. Mga potensyal na tagumpay sa pagbuo ng P-typeGaNo ang paghahanap ng angkop na mga pantulong na materyales ay hindi lamang makakapagpahusay sa performance ng GaN-based na mga device ngunit makatutulong din sa mas malawak na semiconductor technology landscape, na nagbibigay daan para sa mas mahusay, compact, at maaasahang electronic system sa hinaharap.**

Kami sa Semicorex ay gumagawa at nagsusuplay saGaNEpi-wafers at iba pang uri ng wafersinilapat sa paggawa ng semiconductor, kung mayroon kang anumang mga katanungan o kailangan ng karagdagang mga detalye, mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnayan sa amin.

Makipag-ugnayan sa telepono: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com