GaN-in Ölümcül Qüsuru

Dünya yarımkeçiricilər sahəsində yeni imkanlar axtararkən,Qallium Nitridi (GaN)gələcək güc və RF tətbiqləri üçün potensial namizəd kimi seçilməyə davam edir. Bununla belə, çoxsaylı faydalarına baxmayaraq, GaN əhəmiyyətli bir problemlə üzləşir: P tipli məhsulların olmaması. NiyəGaNnövbəti əsas yarımkeçirici material kimi qəbul edilir, nə üçün P tipli GaN cihazlarının olmaması kritik çatışmazlıqdır və bu gələcək dizaynlar üçün nə deməkdir?

NiyəGaNNövbəti əsas yarımkeçirici material kimi qarşılandı?

Elektronika səltənətində ilk elektron cihazların bazara çıxmasından bəri dörd fakt davam edir: onları mümkün qədər kiçik, mümkün qədər ucuz etmək, mümkün qədər çox enerji təklif etmək və mümkün qədər az enerji istehlak etmək lazımdır. Bu tələblərin tez-tez bir-biri ilə ziddiyyət təşkil etdiyini nəzərə alsaq, dörd tələbin hamısına cavab verən mükəmməl elektron cihaz yaratmağa çalışmaq xəyal kimi görünür. Ancaq bu, mühəndislərin buna nail olmaq üçün səylərini dayandırmadı.

Bu dörd rəhbər prinsipdən istifadə edərək mühəndislər qeyri-mümkün görünən müxtəlif vəzifələri yerinə yetirməyə müvəffəq oldular. Kompüterlər otaq ölçülü maşınlardan bir düyü dənəsindən daha kiçik çiplərə qədər kiçildi, smartfonlar indi simsiz rabitə və internetə çıxış imkanı verir və virtual reallıq sistemləri indi ev sahibindən 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 istehlak etmək getdikcə çətinləşir.

Nəticə etibarilə, tədqiqatçılar davamlı olaraq bu cür ümumi materialları əvəz edə biləcək və daha kiçik, daha səmərəli cihazlar təklif etməyə davam edə biləcək yeni materialların axtarışındadırlar.Qallium Nitridi (GaN)əhəmiyyətli diqqəti cəlb edən belə bir materialdır və silikonla müqayisədə səbəblər aydın görünür.

Nə edirQallium NitridiFövqəladə Effektiv?

Birincisi, GaN-nin elektrik keçiriciliyi silisiumdan 1000 dəfə yüksəkdir və bu, daha yüksək cərəyanlarda işləməyə imkan verir. Bu o deməkdir kiGaNcihazlar həddindən artıq istilik yaratmadan əhəmiyyətli dərəcədə yüksək güc səviyyələrində işləyə bilər ki, bu da onların müəyyən bir güc çıxışı üçün daha kiçik olmasına imkan verir.

GaN-nin silikonla müqayisədə bir qədər aşağı istilik keçiriciliyinə baxmayaraq, onun istilik idarəetmə üstünlükləri yüksək güclü elektronikada yeni imkanlara yol açır. Bu, aerokosmik və avtomobil elektronikası kimi məkanın yüksək səviyyədə olduğu və soyutma həllərinin minimuma endirilməli olduğu tətbiqlər üçün xüsusilə vacibdir.GaNcihazların yüksək temperaturda performansını saxlamaq qabiliyyəti sərt mühit tətbiqlərində onların potensialını daha da vurğulayır.

İkincisi, GaN-in daha böyük band boşluğu (1,1eV ilə müqayisədə 3,4eV) onu dielektrik parçalanmadan əvvəl daha yüksək gərginliklərdə istifadə etməyə imkan verir. Nəticədə,GaNnəinki daha çox güc təklif edir, həm də daha yüksək səmərəliliyi qoruyaraq daha yüksək gərginliklərdə işləyə bilir.

Yüksək elektron hərəkətliliyi də imkan verirGaNdaha yüksək tezliklərdə istifadə edilməlidir. Bu amil, silikonun idarə etməkdə çətinlik çəkdiyi GHz diapazonundan yaxşı işləyən RF güc tətbiqləri üçün GaN-ni vacib edir. Bununla belə, istilik keçiriciliyi baxımından silikon bir qədər üstündürGaN, yəni GaN cihazlarının silikon cihazları ilə müqayisədə daha çox istilik tələbləri var. Nəticədə, istilik keçiriciliyinin olmaması miniatürləşdirmə qabiliyyətini məhdudlaşdırırGaNyüksək güclü əməliyyatlar üçün cihazlar, çünki istilik yayılması üçün daha böyük material həcmləri lazımdır.

Ölümcül Qüsur nədirGaN- P-tipinin olmaması?

Yüksək gücdə və yüksək tezliklərdə işləyə bilən yarımkeçiricinin olması əladır. Bununla belə, bütün üstünlüklərinə baxmayaraq, GaN-in bir çox tətbiqlərdə silikonu əvəz etmək qabiliyyətinə ciddi şəkildə mane olan bir böyük çatışmazlığı var: P tipli GaN cihazlarının olmaması.

Bu yeni kəşf edilmiş materialların əsas məqsədlərindən biri səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə artırmaq və daha yüksək güc və gərginliyi dəstəkləməkdir və heç bir şübhə yoxdur ki, cərəyanGaNtranzistorlar buna nail ola bilir. Bununla birlikdə, fərdi GaN tranzistorları həqiqətən bəzi təsir edici xüsusiyyətləri təmin edə bilsə də, bütün cari kommersiya faktıGaNcihazların N tipli olması onların səmərəlilik imkanlarına təsir göstərir.

Bunun niyə belə olduğunu anlamaq üçün NMOS və CMOS məntiqinin necə işlədiyinə baxmaq lazımdır. Sadə istehsal prosesi və dizaynı sayəsində NMOS məntiqi 1970 və 1980-ci illərdə çox populyar bir texnologiya idi. N-tipli MOS tranzistorunun enerji təchizatı və drenajı arasında birləşdirilən tək rezistordan istifadə etməklə, bu tranzistorun qapısı MOS tranzistorunun boşalma gərginliyini idarə edə bilər, bu da DEYİL qapısını effektiv şəkildə həyata keçirə bilər. Digər NMOS tranzistorları ilə birləşdirildikdə bütün məntiq elementləri, o cümlədən AND, OR, XOR və kilidlər yaradıla bilər.

Lakin bu texnologiya sadə olsa da, güc təmin etmək üçün rezistorlardan istifadə edir. Bu o deməkdir ki, NMOS tranzistorları işləyərkən rezistorlara əhəmiyyətli miqdarda güc sərf olunur. Fərdi bir qapı üçün bu güc itkisi minimaldır, lakin kiçik 8 bitlik CPU-ya çatdıqda, bu güc itkisi yığıla bilər, cihazı qızdırır və bir çipdə aktiv komponentlərin sayını məhdudlaşdırır.

NMOS Texnologiyası CMOS-a necə təkamül etdi?

Digər tərəfdən, CMOS əks yollarla sinerji ilə işləyən P tipli və N tipli tranzistorlardan istifadə edir. CMOS məntiq qapısının giriş vəziyyətindən asılı olmayaraq, qapının çıxışı gücdən yerə qoşulmağa imkan vermir, enerji itkisini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır (eynilə N tipli keçirərkən, P tipli izolyasiya edir və əksinə). Əslində, CMOS sxemlərində yeganə real güc itkisi, güc və torpaq arasında keçici əlaqənin tamamlayıcı cütlər vasitəsilə formalaşdığı vəziyyət keçidləri zamanı baş verir.

-a qayıdırGaNcihazlar, hal-hazırda yalnız N-tipli cihazlar mövcud olduğundan, üçün yeganə mövcud texnologiyaGaNNMOS-dur, hansı ki, mahiyyət etibarilə gücə can atır. Bu RF gücləndiriciləri üçün problem deyil, lakin məntiq sxemləri üçün əsas çatışmazlıqdır.

Qlobal enerji istehlakı artmağa davam etdikcə və texnologiyanın ətraf mühitə təsiri diqqətlə araşdırıldığından, elektronikada enerji səmərəliliyinin axtarışı həmişəkindən daha vacib hala gəldi. NMOS texnologiyasının enerji istehlakı məhdudiyyətləri yüksək performans və yüksək enerji səmərəliliyi təklif etmək üçün yarımkeçirici materiallarda irəliləyişlərə təcili ehtiyac olduğunu vurğulayır. P-tipinin inkişafıGaNvə ya alternativ tamamlayıcı texnologiyalar enerjiyə qənaət edən elektron cihazların dizaynında potensial olaraq inqilab edərək, bu axtarışda əhəmiyyətli bir mərhələni qeyd edə bilər.

Maraqlıdır ki, P tipli istehsal etmək tamamilə mümkündürGaNcihazlar və bunlar Blu-ray daxil olmaqla mavi LED işıq mənbələrində istifadə edilmişdir. Bununla belə, bu cihazlar optoelektronik tələblər üçün kifayət olsa da, rəqəmsal məntiq və güc tətbiqləri üçün idealdan uzaqdırlar. Məsələn, P-tipinin istehsalı üçün yeganə praktik dopantGaNcihazlar maqneziumdur, lakin tələb olunan yüksək konsentrasiyaya görə, hidrogen tavlama zamanı quruluşa asanlıqla daxil ola bilər və materialın performansına təsir göstərir.

Buna görə də, P-tipinin olmamasıGaNqurğular mühəndislərin GaN-in yarımkeçirici kimi potensialından tam istifadə etməsinə mane olur.

Bu, gələcək mühəndislər üçün nə deməkdir?

Hazırda bir çox material öyrənilir, digər əsas namizəd silikon karbiddir (SiC). kimiGaN, silisiumla müqayisədə daha yüksək işləmə gərginliyi, daha çox parçalanma gərginliyi və daha yaxşı keçiricilik təklif edir. Bundan əlavə, onun yüksək istilik keçiriciliyi onu həddindən artıq temperaturda və daha böyük gücə nəzarət edərkən əhəmiyyətli dərəcədə kiçik ölçülərdə istifadə etməyə imkan verir.

Lakin, fərqli olaraqGaN, SiC yüksək tezliklər üçün uyğun deyil, yəni onun RF tətbiqləri üçün istifadə edilməsi ehtimalı azdır. Buna görə də,GaNkiçik güc gücləndiriciləri yaratmaq istəyən mühəndislər üçün üstünlük verilən seçim olaraq qalır. P tipli məsələnin həlli birləşdirməkdirGaNP tipli silikon MOS tranzistorları ilə. Bu, tamamlayıcı imkanlar təmin etsə də, mahiyyətcə GaN-in tezliyini və səmərəliliyini məhdudlaşdırır.

Texnologiya inkişaf etdikcə, tədqiqatçılar nəhayət P-tipini tapa bilərlərGaNGaNilə birləşdirilə bilən müxtəlif texnologiyalardan istifadə edən cihazlar və ya tamamlayıcı cihazlar. Lakin o gün gələnə qədərGaNdövrümüzün texnoloji məhdudiyyətləri ilə məhdudlaşmağa davam edəcəkdir.

Materialşünaslıq, elektrik mühəndisliyi və fizikanı əhatə edən yarımkeçirici tədqiqatların fənlərarası xarakteri, mövcud məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün lazım olan birgə səyləri vurğulayır.GaNtexnologiya. P-tipinin inkişafında potensial irəliləyişlərGaNvə ya uyğun tamamlayıcı materialların tapılması təkcə GaN əsaslı cihazların performansını artırmaqla yanaşı, gələcəkdə daha səmərəli, yığcam və etibarlı elektron sistemlərə yol açmaqla daha geniş yarımkeçirici texnologiya mənzərəsinə töhfə verə bilər.**

Biz Semicorex-də istehsal edir və təchiz edirikGaNEpi-vaflilər və digər növ vafliləryarımkeçirici istehsalında tətbiq olunur, hər hansı bir sorğunuz varsa və ya əlavə məlumatlara ehtiyacınız varsa, bizimlə əlaqə saxlamaqdan çəkinməyin.

Əlaqə telefonu: +86-13567891907

E-poçt: sales@semicorex.com