GaN'ın Ölümcül Kusuru

Dünya yarı iletken alanında yeni fırsatlar ararken,Galyum Nitrür (GaN)gelecekteki güç ve RF uygulamaları için potansiyel bir aday olarak öne çıkmaya devam ediyor. Ancak sayısız faydasına rağmen GaN önemli bir zorlukla karşı karşıyadır: P tipi ürünlerin yokluğu. NedenGaNBir sonraki büyük yarı iletken malzeme olarak selamlanan P tipi GaN cihazlarının eksikliği neden kritik bir dezavantajdır ve bu gelecekteki tasarımlar için ne anlama geliyor?

NedenGaNBir Sonraki Büyük Yarı İletken Malzeme Olarak mı Selamlandı?

Elektronik alanında, ilk elektronik cihazların piyasaya çıkmasından bu yana dört gerçek varlığını sürdürdü: mümkün olduğu kadar küçük, mümkün olduğu kadar ucuz yapılmalı, mümkün olduğu kadar fazla güç sunmalı ve mümkün olduğu kadar az güç tüketmeli. Bu gerekliliklerin çoğu zaman birbiriyle çatıştığı göz önüne alındığında, dört gereksinimin tamamını karşılayan mükemmel elektronik cihazı yaratmaya çalışmak hayal gibi görünüyor. Ancak bu, mühendislerin bunu başarmaya çalışmasını engellemedi.

Bu dört yol gösterici ilkeyi kullanan mühendisler, imkansız gibi görünen çeşitli görevleri yerine getirmeyi başardılar. Bilgisayarlar oda büyüklüğündeki makinelerden pirinç tanesinden daha küçük parçalara dönüştü, akıllı telefonlar artık kablosuz iletişim ve internet erişimi sağlıyor ve sanal gerçeklik sistemleri artık bir ana bilgisayardan bağımsız olarak giyilip kullanılabiliyor. Ancak mühendisler silikon gibi yaygın olarak kullanılan malzemelerin fiziksel sınırlarına yaklaştıkça, cihazları daha küçük hale getirmek ve daha az güç tüketmek giderek zorlaşıyor.

Sonuç olarak, araştırmacılar sürekli olarak bu tür ortak malzemelerin yerini alabilecek ve daha küçük, daha verimli cihazlar sunmaya devam edebilecek yeni malzemeler arayışındalar.Galyum Nitrür (GaN)önemli ölçüde ilgi toplayan malzemelerden biridir ve silikonla karşılaştırıldığında bunun nedenleri açıktır.

Ne yaparGalyum NitrürOlağanüstü Verimli mi?

Firstly, GaN’s electrical conductivity is 1000 times higher than that of silicon, enabling it to operate at higher currents. This means GaNcihazlar aşırı ısı üretmeden önemli ölçüde daha yüksek güç seviyelerinde çalışabilir, bu da belirli bir güç çıkışı için daha küçük hale getirilmelerine olanak tanır.

GaN'in silikonla karşılaştırıldığında biraz daha düşük termal iletkenliğine rağmen, ısı yönetimi avantajları, yüksek güçlü elektroniklerde yeni yolların önünü açıyor. Bu, özellikle havacılık ve otomotiv elektroniği gibi alanın önemli olduğu ve soğutma çözümlerinin en aza indirilmesi gereken uygulamalar için çok önemlidir.GaNCihazların yüksek sıcaklıklarda performansı koruma yeteneği, zorlu ortam uygulamalarındaki potansiyellerini daha da öne çıkarıyor.

İkincisi, GaN'nin daha büyük bant aralığı (1,1eV'ye kıyasla 3,4eV), dielektrik bozulmadan önce daha yüksek voltajlarda kullanılmasına olanak tanır. Sonuç olarak,GaNyalnızca daha fazla güç sunmakla kalmaz, aynı zamanda daha yüksek verimliliği korurken daha yüksek voltajlarda da çalışabilir.

Yüksek elektron hareketliliği aynı zamandaGaNDaha yüksek frekanslarda kullanılacak. Bu faktör, silikonun başa çıkmakta zorlandığı GHz aralığının çok üzerinde çalışan RF güç uygulamaları için GaN'i gerekli kılmaktadır. Ancak termal iletkenlik açısından silikon biraz daha iyi performans gösteriyorGaNBu, GaN cihazlarının silikon cihazlara kıyasla daha fazla termal gereksinime sahip olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, termal iletkenliğin olmayışı minyatürleştirme yeteneğini sınırlar.GaNIsı dağıtımı için daha büyük malzeme hacimlerine ihtiyaç duyulduğundan, yüksek güçlü işlemlere yönelik cihazlar.

Ölümcül Kusur Nedir?GaN—P-tipi eksikliği mi?

Yüksek güçte ve yüksek frekanslarda çalışabilen bir yarı iletkene sahip olmak mükemmeldir. Bununla birlikte, tüm avantajlarına rağmen GaN'in birçok uygulamada silikonun yerini alma yeteneğini ciddi şekilde engelleyen büyük bir kusuru vardır: P tipi GaN cihazlarının olmayışı.

Yeni keşfedilen bu malzemelerin ana amaçlarından biri, verimliliği önemli ölçüde artırmak ve daha yüksek güç ve voltajı desteklemektir.GaNtransistörler bunu başarabilir. Bununla birlikte, bireysel GaN transistörleri gerçekten bazı etkileyici özellikler sunabilse de, mevcut tüm ticariGaNCihazların N tipi olması verimlilik yeteneklerini etkiler.

Durumun neden böyle olduğunu anlamak için NMOS ve CMOS mantığının nasıl çalıştığına bakmamız gerekiyor. Basit üretim süreçleri ve tasarımları nedeniyle NMOS mantığı 1970'lerde ve 1980'lerde çok popüler bir teknolojiydi. Güç kaynağı ile N tipi bir MOS transistörün drenajı arasına bağlanan tek bir direnç kullanarak, bu transistörün kapısı, MOS transistörünün drenaj voltajını etkili bir şekilde bir NOT geçidi uygulayarak kontrol edebilir. Diğer NMOS transistörleriyle birleştirildiğinde AND, OR, XOR ve mandallar dahil tüm mantık öğeleri oluşturulabilir.

Ancak bu teknoloji basit olmasına rağmen güç sağlamak için dirençler kullanıyor. Bu, NMOS transistörleri iletim yaptığında dirençlerde önemli miktarda gücün boşa harcandığı anlamına gelir. Bireysel bir geçit için bu güç kaybı minimum düzeydedir, ancak 8 bitlik küçük bir CPU'ya ölçeklendirildiğinde bu güç kaybı birikebilir, cihazı ısıtabilir ve tek bir çip üzerindeki aktif bileşenlerin sayısını sınırlayabilir.

NMOS Teknolojisi CMOS'a Nasıl Evrimleşti?

Öte yandan CMOS, zıt şekillerde sinerjik olarak çalışan P tipi ve N tipi transistörleri kullanır. CMOS mantık kapısının giriş durumu ne olursa olsun, kapının çıkışı güçten toprağa bir bağlantıya izin vermez, bu da güç kaybını önemli ölçüde azaltır (tıpkı N tipinin iletken olduğu, P tipinin yalıttığı ve bunun tersi gibi). Aslında CMOS devrelerindeki tek gerçek güç kaybı, tamamlayıcı çiftler aracılığıyla güç ile toprak arasında geçici bir bağlantının oluşturulduğu durum geçişleri sırasında meydana gelir.

Geri dönüyoruzGaNcihazlar, şu anda yalnızca N tipi cihazlar mevcut olduğundan, mevcut tek teknolojiGaNdoğası gereği güce aç olan NMOS'tur. Bu, RF amplifikatörleri için bir sorun değildir ancak mantık devreleri için büyük bir dezavantajdır.

Küresel enerji tüketimi artmaya devam ettikçe ve teknolojinin çevresel etkisi yakından incelendikçe, elektronikte enerji verimliliği arayışı her zamankinden daha kritik hale geldi. NMOS teknolojisinin güç tüketimi sınırlamaları, yarı iletken malzemelerde yüksek performans ve yüksek enerji verimliliği sağlayacak buluşlara olan acil ihtiyacın altını çiziyor. P tipinin gelişimiGaNveya alternatif tamamlayıcı teknolojiler, enerji tasarruflu elektronik cihazların tasarımında potansiyel olarak devrim yaratarak bu arayışta önemli bir dönüm noktasına işaret edebilir.

İlginçtir ki, P tipi üretmek tamamen mümkündürGaNcihazlar ve bunlar Blu-ray dahil mavi LED ışık kaynaklarında kullanılmıştır. Ancak bu cihazlar optoelektronik gereksinimler için yeterli olsa da dijital mantık ve güç uygulamaları için ideal olmaktan uzaktır. Örneğin, P-tipi üretimi için tek pratik katkı maddesiGaNcihazlar magnezyumdur, ancak gereken yüksek konsantrasyon nedeniyle tavlama sırasında hidrojen yapıya kolayca girerek malzemenin performansını etkileyebilir.

Bu nedenle P tipinin yokluğuGaNcihazlar mühendislerin GaN'in yarı iletken potansiyelinden tam olarak yararlanmasını engeller.

Bu Geleceğin Mühendisleri İçin Ne İfade Ediyor?

Şu anda birçok malzeme üzerinde çalışılıyor; diğer bir önemli aday ise silisyum karbür (SiC). BeğenmekGaNSilikonla karşılaştırıldığında daha yüksek çalışma voltajı, daha yüksek arıza voltajı ve daha iyi iletkenlik sunar. Ek olarak, yüksek termal iletkenliği, daha fazla gücü kontrol ederken aşırı sıcaklıklarda ve önemli ölçüde daha küçük boyutlarda kullanılmasına olanak tanır.

Ancak farklı olarakGaNSiC yüksek frekanslar için uygun değildir, yani RF uygulamalarında kullanılması pek mümkün değildir. Öyleyse,GaNküçük güç amplifikatörleri oluşturmak isteyen mühendislerin tercih ettiği seçenek olmaya devam ediyor. P tipi sorununun bir çözümü birleştirmektir.GaNP tipi silikon MOS transistörlü. Bu tamamlayıcı yetenekler sağlasa da doğası gereği GaN'in frekansını ve verimliliğini sınırlar.

Teknoloji ilerledikçe araştırmacılar sonunda P tipini bulabilirlerGaNGaNile birleştirilebilen farklı teknolojileri kullanan cihazlar veya tamamlayıcı cihazlar. Ancak o gün gelene kadarGaNzamanımızın teknolojik sınırlamaları tarafından kısıtlanmaya devam edecek.

Malzeme bilimi, elektrik mühendisliği ve fiziği kapsayan yarı iletken araştırmalarının disiplinler arası doğası, yarı iletkenlerin mevcut sınırlamalarının üstesinden gelmek için gereken işbirlikçi çabaların altını çiziyor.GaNteknoloji. P tipinin geliştirilmesinde potansiyel atılımlarGaNveya uygun tamamlayıcı malzemelerin bulunması yalnızca GaN tabanlı cihazların performansını artırmakla kalmaz, aynı zamanda daha geniş yarı iletken teknolojisi ortamına da katkıda bulunarak gelecekte daha verimli, kompakt ve güvenilir elektronik sistemlerin önünü açabilir.**

Semicorex olarak biz,GaNEpi-wafer'lar ve diğer wafer türleriYarı iletken imalatında uygulanan bu teknik hakkında herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu: +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com