Переваги та недоліки застосування нітриду галію (GaN).

Оскільки світ шукає нових можливостей у напівпровідниках,нітрид галіюпродовжує виділятися як потенційний кандидат для майбутніх застосувань електроенергії та радіочастот. Однак, попри всі переваги, які він пропонує, він все ще стикається з серйозною проблемою; продуктів P-типу (P-type) немає. Чому GaN рекламується як наступний основний напівпровідниковий матеріал, чому відсутність GaN-пристроїв P-типу є головним недоліком і що це означає для майбутніх конструкцій?

В електроніці з моменту появи на ринку перших електронних пристроїв зберігаються чотири факти: вони повинні бути якомога меншими, якомога дешевшими, забезпечувати якомога більше енергії та споживати якомога менше енергії. Зважаючи на те, що ці вимоги часто суперечать одна одній, спроба створити ідеальний електронний пристрій, який міг би відповідати цим чотирьом вимогам, є трохи нездійсненною мрією, але це не завадило інженерам зробити все можливе, щоб це сталося.

Використовуючи ці чотири керівні принципи, інженери досягли успіху у виконанні різноманітних, здавалося б, неможливих завдань: комп’ютери зменшилися від пристроїв розміром з кімнату до чіпів розміром менше рисового зерна, смартфони, які дозволяють бездротовий зв’язок і доступ до Інтернету, і системи віртуальної реальності який тепер можна носити та використовувати незалежно від головного комп’ютера. Однак, оскільки інженери наближаються до фізичних обмежень широко використовуваних матеріалів, таких як кремній, зробити пристрої меншими та споживати менше енергії стає неможливим.

У результаті дослідники постійно шукають нові матеріали, які могли б замінити такі звичайні матеріали та продовжувати створювати менші пристрої, які працюють ефективніше. Нітрид галію (GaN) — це матеріал, який зі зрозумілих причин привернув багато уваги порівняно з кремнієм.

GaNвища ефективність

По-перше, GaN проводить електрику в 1000 разів ефективніше, ніж кремній, що дозволяє йому працювати при вищих струмах. Це означає, що пристрої GaN можуть працювати на значно вищій потужності, не виділяючи багато тепла, і, отже, можуть бути меншими за тієї ж заданої потужності.

Хоча теплопровідність GaN трохи нижча, ніж у кремнію, його переваги в управлінні теплом відкривають нові шляхи для електроніки високої потужності. Це особливо важливо для додатків, де обмежений простір і потрібно звести до мінімуму рішення для охолодження, наприклад, для аерокосмічної та автомобільної електроніки, а здатність GaN-пристроїв підтримувати продуктивність за високих температур ще більше підкреслює їхній потенціал для застосування в суворих умовах.

По-друге, більша ширина забороненої зони GaN (3,4 еВ проти 1,1 еВ) дозволяє використовувати його при вищих напругах до пробою діелектрика. У результаті GaN не тільки здатний видавати більше потужності, але й робити це при вищих напругах, зберігаючи при цьому вищу ефективність.

Висока рухливість електронів також дозволяє використовувати GaN на більш високих частотах. Цей фактор робить GaN критичним для додатків радіочастотного живлення, які працюють значно вище діапазону ГГц (те, з чим бореться кремній).

Однак кремній трохи кращий за GaN з точки зору теплопровідності, що означає, що пристрої з GaN мають більші вимоги до тепла, ніж кремнієві. У результаті недостатня теплопровідність обмежує можливість зменшувати усадку пристроїв GaN під час роботи на високій потужності (оскільки для розсіювання тепла потрібні великі шматки матеріалу).

GaNАхілесова п'ята - немає P-типу

Чудово мати напівпровідники, які можуть працювати на високій потужності на високих частотах, але попри всі переваги, які пропонує GaN, є один головний недолік, який серйозно перешкоджає його здатності замінити кремній у багатьох застосуваннях: відсутність P-типів.

Можливо, одна з головних цілей цих нещодавно відкритих матеріалів полягає в значному підвищенні ефективності та підтримці більш високої потужності та напруги, і немає сумніву, що поточні GaN транзистори можуть цього досягти. Однак, хоча окремі GaN транзистори дійсно пропонують деякі вражаючі властивості, той факт, що всі поточні комерційні GaN пристрої є N-типу, ставить під загрозу їх здатність бути надзвичайно ефективною.

Щоб зрозуміти, чому це так, нам потрібно поглянути на те, як працює логіка NMOS і CMOS. Логіка NMOS була дуже популярною технологією в 1970-х і 1980-х роках через простий процес виробництва та дизайн. Використовуючи єдиний резистор, підключений між джерелом живлення та стоком МОП-транзистора N-типу, затвор цього транзистора здатний контролювати напругу на стоці МОП-транзистора, ефективно реалізуючи не затвор. У поєднанні з іншими NMOS-транзисторами можна створити всі логічні компоненти, включаючи AND, OR, XOR і засувки.

Однак, незважаючи на те, що цей метод простий, він використовує резистори для забезпечення живлення, що означає, що багато енергії витрачається на резистори, коли транзистори NMOS включені. Для одного вентиля ця втрата потужності мінімальна, але може збільшитися при масштабуванні до невеликих 8-розрядних процесорів, що може нагріти пристрій і обмежити кількість активних пристроїв на одному чіпі.