Fördelar och nackdelar med galliumnitrid (GaN) applikationer

När världen letar efter nya möjligheter inom halvledare,galliumnitridfortsätter att framstå som en potentiell kandidat för framtida kraft- och RF-tillämpningar. Men trots alla fördelar den erbjuder står den fortfarande inför en stor utmaning; det finns inga produkter av P-typ (P-typ). Varför utses GaN som nästa stora halvledarmaterial, varför är bristen på GaN-enheter av P-typ en stor nackdel, och vad betyder detta för framtida konstruktioner?

Inom elektronik har fyra fakta kvarstått sedan de första elektroniska enheterna kom ut på marknaden: de måste vara så små som möjligt, så billiga som möjligt, ge så mycket ström som möjligt och förbruka så lite ström som möjligt. Med tanke på att dessa krav ofta motsäger varandra är det lite av en dröm att försöka skapa den perfekta elektroniska enheten som kan uppfylla dessa fyra krav, men det har inte hindrat ingenjörer från att göra allt de kan för att få det att hända.

Med hjälp av dessa fyra vägledande principer har ingenjörer lyckats utföra en mängd till synes omöjliga uppgifter, med datorer som krymper från rumsstora enheter till chips mindre än ett riskorn, smartphones som tillåter trådlös kommunikation och åtkomst till Internet och virtuell verklighetssystem som nu kan bäras och användas oberoende av värddatorn. Men när ingenjörer närmar sig de fysiska gränserna för vanliga material som kisel, blir det nu omöjligt att göra enheter mindre och använda mindre ström.

Som ett resultat av detta söker forskare ständigt efter nya material som kan ersätta sådana vanliga material och fortsätta att tillhandahålla mindre enheter som fungerar mer effektivt. Galliumnitrid (GaN) är ett material som har väckt stor uppmärksamhet, jämfört med kisel, av uppenbara skäl.

GaNs överlägsna effektivitet

För det första leder GaN elektricitet 1 000 gånger effektivare än kisel, vilket gör att det kan arbeta vid högre strömmar. Detta innebär att GaN-enheter kan köras med betydligt högre effekt utan att generera mycket värme och därmed kan göras mindre för samma givna effekt.

Även om GaN:s värmeledningsförmåga är något lägre än kiselns, öppnar dess fördelar för termisk hantering upp nya vägar för högeffektelektronik. Detta är särskilt viktigt för applikationer där utrymmet är begränsat och kyllösningar måste minimeras, såsom flyg- och bilelektronik, och GaN-enheters förmåga att bibehålla prestanda vid höga temperaturer understryker ytterligare deras potential för applikationer i tuffa miljöer.

För det andra tillåter det större bandgapet för GaN (3,4eV vs. 1,1eV) användning vid högre spänningar före dielektriskt genombrott. Som ett resultat kan GaN inte bara leverera mer kraft, utan kan göra det vid högre spänningar med bibehållen högre effektivitet.

Den höga elektronrörligheten gör det också möjligt för GaN att användas vid högre frekvenser. Denna faktor gör GaN kritisk för RF-kraftapplikationer som fungerar långt över GHz-intervallet (något som kisel kämpar med).

Kisel är dock något bättre än GaN när det gäller värmeledningsförmåga, vilket gör att GaN-enheter har större värmekrav än kiselenheter. Som ett resultat begränsar bristen på värmeledningsförmåga förmågan att krympa GaN-enheter när de arbetar med hög effekt (eftersom stora bitar av material behövs för att avleda värme).

GaN's akilleshäl - ingen P-typ

Det är fantastiskt att ha halvledare som kan arbeta med hög effekt vid höga frekvenser, men trots alla fördelar som GaN erbjuder, finns det en stor nackdel som allvarligt hämmar dess förmåga att ersätta kisel i många applikationer: avsaknaden av P-typer.

Förmodligen är ett av huvudsyften med dessa nyupptäckta material att dramatiskt öka effektiviteten och stödja högre effekt och spänning, och det råder ingen tvekan om att nuvarande GaN-transistorer kan uppnå detta. Men även om individuella GaN-transistorer erbjuder några imponerande egenskaper, äventyrar det faktum att alla nuvarande kommersiella GaN-enheter är N-typ deras förmåga att vara extremt effektiva.

För att förstå varför det är så måste vi titta på hur NMOS- och CMOS-logik fungerar. NMOS-logik var en mycket populär teknik på 1970- och 1980-talen på grund av dess enkla tillverkningsprocess och design. Genom att använda ett enda motstånd anslutet mellan strömförsörjningen och kollektorn för en MOS-transistor av N-typ, kan gate för den transistorn styra spänningen vid MOS-transistorns kollektor, vilket effektivt implementerar en icke-grind. När de kombineras med andra NMOS-transistorer är det möjligt att skapa alla logiska komponenter, inklusive AND, OR, XOR och latches.

Men även om denna teknik är enkel, använder den motstånd för att ge ström, vilket innebär att mycket ström slösas bort på motstånden när NMOS-transistorerna är på. För en enskild gate är denna strömförlust minimal, men kan öka vid skalning till små 8-bitars processorer, vilket kan värma upp enheten och begränsa antalet aktiva enheter på ett enda chip.