Galyum Nitrür (GaN) Uygulamalarının Avantajları ve Dezavantajları

Dünya yarı iletkenlerde yeni fırsatlar ararken,galyum nitrürgelecekteki güç ve RF uygulamaları için potansiyel bir aday olarak öne çıkmaya devam ediyor. Ancak sunduğu tüm faydalara rağmen hâlâ büyük bir zorlukla karşı karşıyadır; P tipi (P tipi) ürün yoktur. GaN neden bir sonraki büyük yarı iletken malzeme olarak lanse ediliyor, P tipi GaN cihazlarının eksikliği neden büyük bir dezavantajdır ve bu gelecekteki tasarımlar için ne anlama geliyor?

Elektronikte, elektronik cihazların piyasaya ilk çıkışından bu yana dört gerçek varlığını sürdürdü: Mümkün olduğu kadar küçük, mümkün olduğu kadar ucuz olmalı, mümkün olduğu kadar fazla güç sağlamalı ve mümkün olduğu kadar az güç tüketmeli. Bu gerekliliklerin çoğu zaman birbirleriyle çeliştiği göz önüne alındığında, bu dört gereksinimi karşılayabilecek mükemmel elektronik cihazı yaratmaya çalışmak biraz boş bir hayaldir, ancak bu, mühendisleri bunu gerçekleştirmek için ellerinden gelen her şeyi yapmaktan alıkoymamıştır.

Mühendisler, bu dört yol gösterici prensibi kullanarak, bilgisayarların oda büyüklüğündeki cihazlardan pirinç tanesinden daha küçük çiplere dönüşmesi, kablosuz iletişime ve İnternet erişimine izin veren akıllı telefonlar ve sanal gerçeklik sistemleri gibi görünüşte imkansız olan çeşitli görevleri yerine getirmeyi başardılar. artık ana bilgisayardan bağımsız olarak takılabilir ve kullanılabilir. Ancak mühendisler silikon gibi yaygın olarak kullanılan malzemelerin fiziksel sınırlarına yaklaştıkça, cihazları daha küçük hale getirmek ve daha az güç kullanmak artık imkansız hale geliyor.

Sonuç olarak, araştırmacılar sürekli olarak bu tür yaygın malzemelerin yerini alabilecek ve daha verimli çalışan daha küçük cihazlar sağlamaya devam edebilecek yeni malzemeler arıyorlar. Galyum nitrür (GaN), bariz nedenlerden dolayı silikonla karşılaştırıldığında çok dikkat çeken bir malzemedir.

GaNüstün verimliliği

Birincisi, GaN elektriği silikondan 1000 kat daha verimli bir şekilde ileterek daha yüksek akımlarda çalışmasına olanak tanıyor. Bu, GaN cihazlarının çok fazla ısı üretmeden önemli ölçüde daha yüksek güçte çalışabileceği ve dolayısıyla aynı güç için daha küçük yapılabileceği anlamına gelir.

GaN'in termal iletkenliği silikonunkinden biraz daha düşük olmasına rağmen termal yönetim avantajları, yüksek güçlü elektronikler için yeni yollar açıyor. Bu, özellikle havacılık ve otomotiv elektroniği gibi alanın önemli olduğu ve soğutma çözümlerinin en aza indirilmesi gereken uygulamalar için önemlidir ve GaN cihazlarının yüksek sıcaklıklarda performansı koruma yeteneği, zorlu ortam uygulamalarına yönelik potansiyellerini daha da öne çıkarır.

İkinci olarak, GaN'nin daha büyük bant aralığı (3,4eV'ye karşı 1,1eV), dielektrik bozulmadan önce daha yüksek voltajlarda kullanıma izin verir. Sonuç olarak, GaN yalnızca daha fazla güç sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda daha yüksek verimliliği korurken bunu daha yüksek voltajlarda da yapabiliyor.

Yüksek elektron hareketliliği GaN'ın daha yüksek frekanslarda kullanılmasına da olanak tanır. Bu faktör, GaN'i GHz aralığının (silikonun zorlandığı bir şey) çok üzerinde çalışan RF güç uygulamaları için kritik hale getirir.

Ancak silikon, termal iletkenlik açısından GaN'den biraz daha iyidir, bu da GaN cihazlarının silikon cihazlardan daha fazla termal gereksinime sahip olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, termal iletkenliğin olmaması, yüksek güçte çalışırken GaN cihazlarının küçülme yeteneğini sınırlar (çünkü ısıyı dağıtmak için büyük malzeme parçalarına ihtiyaç vardır).

GaNAşil Topuğu - P Tipi Yok

Yüksek frekanslarda yüksek güçte çalışabilen yarı iletkenlere sahip olmak harikadır, ancak GaN'ın sunduğu tüm avantajlara rağmen, birçok uygulamada silikonun yerini alma yeteneğini ciddi şekilde engelleyen büyük bir dezavantaj vardır: P tiplerinin eksikliği.

Yeni keşfedilen bu malzemelerin temel amaçlarından birinin verimliliği önemli ölçüde artırmak ve daha yüksek güç ve voltajı desteklemek olduğu söylenebilir ve mevcut GaN transistörlerinin bunu başarabileceğine şüphe yoktur. Bununla birlikte, bireysel GaN transistörleri bazı etkileyici özellikler sunarken, mevcut tüm ticari GaN cihazlarının N tipi olması, bunların son derece verimli olma yeteneklerini tehlikeye atıyor.

Durumun neden böyle olduğunu anlamak için NMOS ve CMOS mantığının nasıl çalıştığına bakmamız gerekiyor. NMOS mantığı, basit üretim süreci ve tasarımı nedeniyle 1970'lerde ve 1980'lerde çok popüler bir teknolojiydi. N-tipi bir MOS transistörün güç kaynağı ile drenajı arasına bağlanan tek bir direnç kullanılarak, bu transistörün kapısı, MOS transistörünün drenajındaki voltajı etkili bir şekilde geçitsiz bir şekilde uygulayabilir. Diğer NMOS transistörleriyle birleştirildiğinde AND, OR, XOR ve mandallar dahil tüm mantık bileşenlerini oluşturmak mümkündür.

Ancak bu teknik basit olmasına rağmen güç sağlamak için dirençler kullanır, bu da NMOS transistörleri açıkken dirençler üzerinde çok fazla gücün boşa harcanması anlamına gelir. Tek bir geçit için bu güç kaybı minimum düzeydedir ancak küçük 8 bitlik CPU'lara ölçeklendirme yapıldığında artabilir, bu da cihazın ısınmasına ve tek bir çip üzerindeki aktif cihazların sayısını sınırlandırmasına neden olabilir.