Gallium Nitride (GaN) Tətbiqlərinin Üstünlükləri və Dezavantajları

Dünya yarımkeçiricilərdə yeni imkanlar axtararkən,qalium nitridigələcək güc və RF tətbiqləri üçün potensial namizəd kimi seçilməyə davam edir. Bununla belə, təklif etdiyi bütün üstünlüklərə baxmayaraq, hələ də böyük bir problemlə üzləşir; P tipli (P tipli) məhsullar yoxdur. Niyə GaN növbəti əsas yarımkeçirici material kimi təqdim olunur, niyə P tipli GaN cihazlarının olmaması əsas çatışmazlıqdır və bu gələcək dizaynlar üçün nə deməkdir?

Elektronikada ilk elektron cihazların bazara çıxmasından bəri dörd fakt davam edir: onlar mümkün qədər kiçik, mümkün qədər ucuz olmalı, mümkün qədər çox enerji təmin etməli və mümkün qədər az enerji istehlak etməlidirlər. Bu tələblərin tez-tez bir-biri ilə ziddiyyət təşkil etdiyini nəzərə alsaq, bu dörd tələbi yerinə yetirə biləcək mükəmməl elektron cihaz yaratmağa çalışmaq bir az boş xəyaldır, lakin bu, mühəndislərin bunu həyata keçirmək üçün əllərindən gələni etməsinə mane olmadı.

Mühəndislər bu dörd rəhbər prinsipdən istifadə edərək, otaq ölçülü cihazlardan düyü dənəsindən daha kiçik çiplərə, simsiz rabitə və internetə çıxışa imkan verən smartfonlar və virtual reallıq sistemləri ilə bir sıra qeyri-mümkün görünən vəzifələri yerinə yetirməyə müvəffəq oldular. indi ana kompüterdən asılı olmayaraq geyilə və istifadə edilə bilər. Bununla belə, mühəndislər silikon kimi tez-tez istifadə olunan materialların fiziki hədlərinə yaxınlaşdıqca, cihazları daha kiçik etmək və daha az enerji istifadə etmək indi qeyri-mümkün olur.

Nəticədə, tədqiqatçılar daim bu cür ümumi materialları əvəz edə biləcək yeni materiallar axtarır və daha səmərəli işləyən daha kiçik cihazları təmin etməyə davam edirlər. Qallium nitridi (GaN) aşkar səbəblərdən silisiumla müqayisədə çox diqqət çəkən bir materialdır.

GaNnin üstün səmərəliliyi

Birincisi, GaN elektrik cərəyanını silisiumdan 1000 dəfə daha səmərəli keçirərək daha yüksək cərəyanlarda işləməyə imkan verir. Bu o deməkdir ki, GaN cihazları çox istilik istehsal etmədən əhəmiyyətli dərəcədə yüksək gücdə işləyə bilər və beləliklə, eyni güc üçün daha kiçik edilə bilər.

GaN-in istilik keçiriciliyi silikondan bir qədər aşağı olsa da, onun istilik idarəetmə üstünlükləri yüksək güclü elektronika üçün yeni imkanlar açır. Bu, xüsusilə aerokosmik və avtomobil elektronikası kimi məkanın yüksək səviyyədə olduğu və soyutma həllərinin minimuma endirilməli olduğu tətbiqlər üçün vacibdir və GaN cihazlarının yüksək temperaturda performansını saxlamaq qabiliyyəti onların sərt ətraf mühit tətbiqləri üçün potensialını daha da vurğulayır.

İkincisi, GaN-in daha böyük diapazonu (3.4eV-ə qarşı 1.1eV) dielektrik parçalanmadan əvvəl daha yüksək gərginliklərdə istifadə etməyə imkan verir. Nəticədə, GaN nəinki daha çox enerji ötürməyə qadirdir, həm də daha yüksək səmərəliliyi qoruyarkən bunu daha yüksək gərginliklərdə edə bilər.

Yüksək elektron hərəkətliliyi GaN-ni daha yüksək tezliklərdə istifadə etməyə imkan verir. Bu amil GaN-ni GHz diapazonundan yaxşı işləyən (silikonun mübarizə apardığı bir şey) RF enerjisi tətbiqləri üçün kritik edir.

Bununla belə, silikon istilik keçiriciliyi baxımından GaN-dən bir qədər yaxşıdır, bu da GaN cihazlarının silikon cihazlarından daha çox istilik tələblərinə malik olması deməkdir. Nəticədə, istilik keçiriciliyinin olmaması yüksək gücdə işləyərkən GaN cihazlarını daraltmaq qabiliyyətini məhdudlaşdırır (çünki istiliyi yaymaq üçün böyük material parçaları lazımdır).

GaNAxilles dabanı - P-tipi yoxdur

Yüksək tezliklərdə yüksək gücdə işləyə bilən yarımkeçiricilərə sahib olmaq çox gözəldir, lakin GaN-nin təklif etdiyi bütün üstünlüklərə baxmayaraq, onun bir çox tətbiqlərdə silikonu əvəz etmək qabiliyyətini ciddi şəkildə əngəlləyən bir böyük çatışmazlıq var: P tiplərinin olmaması.

Şübhəsiz ki, bu yeni kəşf edilmiş materialların əsas məqsədlərindən biri səmərəliliyi kəskin şəkildə artırmaq və daha yüksək güc və gərginliyi dəstəkləməkdir və cari GaN tranzistorlarının buna nail ola biləcəyinə şübhə yoxdur. Bununla belə, fərdi GaN tranzistorları bəzi təsir edici xüsusiyyətlər təklif etsələr də, bütün mövcud kommersiya GaN cihazlarının N tipli olması onların son dərəcə səmərəli olmaq qabiliyyətini pozur.

Bunun niyə belə olduğunu anlamaq üçün NMOS və CMOS məntiqinin necə işlədiyinə baxmaq lazımdır. NMOS məntiqi sadə istehsal prosesi və dizaynı sayəsində 1970 və 1980-ci illərdə çox məşhur texnologiya idi. N-tipli MOS tranzistorunun enerji təchizatı və drenajı arasında birləşdirilən tək rezistordan istifadə etməklə, həmin tranzistorun qapısı qeyri-qapısını effektiv şəkildə həyata keçirərək MOS tranzistorunun drenajında ​​gərginliyi idarə edə bilir. Digər NMOS tranzistorları ilə birləşdirildikdə, AND, OR, XOR və kilidlər daxil olmaqla bütün məntiq komponentlərini yaratmaq mümkündür.

Bununla belə, bu texnika sadə olsa da, güc təmin etmək üçün rezistorlardan istifadə edir, yəni NMOS tranzistorları işə salındıqda rezistorlara çoxlu güc sərf olunur. Tək bir qapı üçün bu güc itkisi minimaldır, lakin cihazı qızdıra və bir çipdə aktiv cihazların sayını məhdudlaşdıra bilən kiçik 8 bitlik CPU-lara miqyaslandırarkən arta bilər.