مزایا و معایب کاربردهای نیترید گالیوم (GaN).

در حالی که جهان به دنبال فرصت های جدید در نیمه هادی ها است،نیترید گالیومهمچنان به عنوان یک نامزد بالقوه برای کاربردهای برق و RF در آینده برجسته است. با این حال، با وجود تمام مزایایی که ارائه می دهد، هنوز با یک چالش بزرگ روبرو است. هیچ محصولی از نوع P (نوع P) وجود ندارد. چرا GaN به عنوان ماده نیمه هادی اصلی بعدی معرفی می شود، چرا کمبود دستگاه های GaN نوع P یک نقطه ضعف بزرگ است، و این چه معنایی برای طراحی های آینده دارد؟

در الکترونیک، از زمانی که اولین دستگاه های الکترونیکی وارد بازار شدند، چهار واقعیت وجود داشته است: آنها باید تا حد امکان کوچک باشند، تا حد امکان ارزان باشند، تا حد امکان توان بیشتری را ارائه کنند و تا حد امکان کمترین انرژی مصرف کنند. با توجه به اینکه این الزامات اغلب با یکدیگر در تضاد هستند، تلاش برای ایجاد دستگاه الکترونیکی کاملی که بتواند این چهار الزام را برآورده کند کمی رویا است، اما این امر مهندسان را از انجام هر کاری که می توانند برای تحقق آن منع نکرده است.

با استفاده از این چهار اصل راهنما، مهندسان موفق به انجام انواع مختلفی از وظایف به ظاهر غیرممکن شده اند، با کاهش کامپیوترها از دستگاه های اندازه اتاق به تراشه های کوچکتر از یک دانه برنج، تلفن های هوشمندی که امکان ارتباط بی سیم و دسترسی به اینترنت و سیستم های واقعیت مجازی را فراهم می کنند. که اکنون می تواند به طور مستقل از رایانه میزبان پوشیده و استفاده شود. با این حال، با نزدیک شدن مهندسان به محدودیت‌های فیزیکی مواد متداول مانند سیلیکون، کوچک‌تر کردن دستگاه‌ها و استفاده از توان کمتر اکنون غیرممکن شده است.

در نتیجه، محققان به طور مداوم در جستجوی مواد جدیدی هستند که ممکن است بتوانند جایگزین چنین مواد رایجی شوند و همچنان دستگاه‌های کوچک‌تری را ارائه دهند که کارآمدتر کار می‌کنند. نیترید گالیم (GaN) یکی از موادی است که در مقایسه با سیلیکون به دلایل واضح توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

GaNراندمان برتر

اول اینکه GaN 1000 برابر موثرتر از سیلیکون الکتریسیته را هدایت می کند و به آن اجازه می دهد در جریان های بالاتر کار کند. این بدان معناست که دستگاه‌های GaN می‌توانند با توان بسیار بالاتری بدون تولید گرما کار کنند و بنابراین می‌توانند برای همان توان داده شده کوچک‌تر شوند.

اگرچه رسانایی حرارتی GaN کمی کمتر از سیلیکون است، مزایای مدیریت حرارتی آن راه های جدیدی را برای الکترونیک پرقدرت باز می کند. این امر به ویژه برای برنامه‌هایی که در آن فضا در سطح بالایی قرار دارد و راه‌حل‌های خنک‌کننده باید به حداقل برسد، مانند وسایل الکترونیکی هوافضا و خودرو، مهم است و توانایی دستگاه‌های GaN برای حفظ عملکرد در دماهای بالا، پتانسیل آن‌ها را برای کاربردهای محیطی خشن بیشتر نشان می‌دهد.

ثانیاً، گپ بزرگتر GaN (3.4eV در مقابل 1.1eV) امکان استفاده در ولتاژهای بالاتر قبل از خرابی دی الکتریک را فراهم می کند. در نتیجه، GaN نه تنها قادر به ارائه توان بیشتر است، بلکه می تواند این کار را در ولتاژهای بالاتر و در عین حال حفظ راندمان بالاتر انجام دهد.

تحرک الکترون بالا همچنین اجازه می دهد GaN در فرکانس های بالاتر استفاده شود. این عامل، GaN را برای برنامه‌های قدرت RF که بسیار بالاتر از محدوده گیگاهرتز عمل می‌کنند، حیاتی می‌کند (چیزی که سیلیکون با آن مبارزه می‌کند).

با این حال، سیلیکون از نظر هدایت حرارتی کمی بهتر از GaN است، به این معنی که دستگاه‌های GaN نیاز حرارتی بیشتری نسبت به دستگاه‌های سیلیکونی دارند. در نتیجه، فقدان رسانایی حرارتی توانایی کوچک کردن دستگاه‌های GaN را در هنگام کار با توان بالا محدود می‌کند (زیرا قطعات بزرگی از مواد برای دفع گرما مورد نیاز است).

GaNپاشنه آشیل - بدون نوع P

داشتن نیمه هادی هایی که می توانند با توان بالا در فرکانس های بالا کار کنند بسیار خوب است، اما با وجود تمام مزایایی که GaN ارائه می دهد، یک اشکال بزرگ وجود دارد که به شدت توانایی آن را برای جایگزینی سیلیکون در بسیاری از کاربردها مختل می کند: فقدان نوع P.

مسلماً یکی از اهداف اصلی این مواد تازه کشف شده افزایش چشمگیر بازده و پشتیبانی از توان و ولتاژ بالاتر است و شکی نیست که ترانزیستورهای GaN فعلی می توانند به این مهم دست یابند. با این حال، در حالی که ترانزیستورهای GaN منفرد ویژگی‌های چشمگیری را ارائه می‌دهند، این واقعیت که تمام دستگاه‌های تجاری GaN فعلی از نوع N هستند، توانایی آن‌ها را برای کارآمدی بسیار به خطر می‌اندازد.

برای درک اینکه چرا چنین است، باید به نحوه عملکرد منطق NMOS و CMOS نگاه کنیم. منطق NMOS یک فناوری بسیار محبوب در دهه های 1970 و 1980 به دلیل فرآیند ساخت و طراحی ساده آن بود. با استفاده از یک مقاومت منفرد متصل بین منبع تغذیه و تخلیه یک ترانزیستور MOS نوع N، گیت آن ترانزیستور قادر است ولتاژ در تخلیه ترانزیستور MOS را کنترل کند و به طور موثر یک غیر گیت را اجرا کند. هنگامی که با سایر ترانزیستورهای NMOS ترکیب می شود، می توان تمام اجزای منطقی، از جمله AND، OR، XOR و لچ ها را ایجاد کرد.

با این حال، اگرچه این تکنیک ساده است، اما از مقاومت‌ها برای تامین برق استفاده می‌کند، به این معنی که وقتی ترانزیستورهای NMOS روشن هستند، انرژی زیادی روی مقاومت‌ها تلف می‌شود. برای یک گیت، این تلفات برق حداقل است، اما می‌تواند در هنگام تغییر مقیاس به پردازنده‌های کوچک 8 بیتی افزایش یابد، که می‌تواند دستگاه را گرم کرده و تعداد دستگاه‌های فعال را روی یک تراشه محدود کند.