Kelebihan dan Kelemahan Aplikasi Gallium Nitride (GaN).

Ketika dunia mencari peluang baharu dalam semikonduktor,galium nitridaterus menonjol sebagai calon berpotensi untuk aplikasi kuasa dan RF masa hadapan. Walau bagaimanapun, untuk semua faedah yang ditawarkannya, ia masih menghadapi cabaran besar; tiada produk P-type (P-type). Mengapa GaN disebut-sebut sebagai bahan semikonduktor utama seterusnya, mengapa kekurangan peranti GaN jenis P menjadi kelemahan utama, dan apakah maksud ini untuk reka bentuk masa hadapan?

Dalam elektronik, empat fakta telah berterusan sejak peranti elektronik pertama memasuki pasaran: ia perlu sekecil mungkin, semurah mungkin, memberikan kuasa sebanyak mungkin dan menggunakan kuasa sesedikit mungkin. Memandangkan keperluan ini sering bercanggah antara satu sama lain, cuba mencipta peranti elektronik yang sempurna yang boleh memenuhi empat keperluan ini adalah satu impian paip, tetapi itu tidak menghalang jurutera daripada melakukan segala yang mereka mampu untuk merealisasikannya.

Menggunakan empat prinsip panduan ini, jurutera telah berjaya mencapai pelbagai tugas yang kelihatan mustahil, dengan komputer mengecil daripada peranti bersaiz bilik kepada cip yang lebih kecil daripada sebutir beras, telefon pintar yang membenarkan komunikasi tanpa wayar dan akses kepada Internet, dan sistem realiti maya yang kini boleh dipakai dan digunakan secara berasingan daripada komputer hos. Walau bagaimanapun, apabila jurutera menghampiri had fizikal bahan yang biasa digunakan seperti silikon, menjadikan peranti lebih kecil dan menggunakan kuasa yang kurang kini menjadi mustahil.

Akibatnya, penyelidik sentiasa mencari bahan baharu yang mungkin boleh menggantikan bahan biasa tersebut dan terus menyediakan peranti yang lebih kecil yang berfungsi dengan lebih cekap. Gallium nitride (GaN) adalah salah satu bahan yang telah menarik banyak perhatian, berbanding silikon, atas sebab-sebab yang jelas.

GaNkecekapan unggul

Pertama, GaN mengalirkan elektrik 1,000 kali lebih cekap daripada silikon, membolehkan ia beroperasi pada arus yang lebih tinggi. Ini bermakna peranti GaN boleh berjalan pada kuasa yang jauh lebih tinggi tanpa menghasilkan banyak haba, dan dengan itu boleh dibuat lebih kecil untuk kuasa yang diberikan yang sama.

Walaupun kekonduksian terma GaN lebih rendah sedikit daripada silikon, kelebihan pengurusan termanya membuka jalan baharu untuk elektronik berkuasa tinggi. Ini amat penting untuk aplikasi yang ruang berada pada tahap premium dan penyelesaian penyejukan perlu diminimumkan, seperti aeroangkasa dan elektronik automotif, dan keupayaan peranti GaN untuk mengekalkan prestasi pada suhu tinggi menyerlahkan lagi potensinya untuk aplikasi persekitaran yang keras.

Kedua, jurang jalur yang lebih besar bagi GaN (3.4eV vs. 1.1eV) membolehkan penggunaan pada voltan yang lebih tinggi sebelum kerosakan dielektrik. Akibatnya, GaN bukan sahaja mampu menyampaikan lebih banyak kuasa, tetapi boleh melakukannya pada voltan yang lebih tinggi sambil mengekalkan kecekapan yang lebih tinggi.

Mobiliti elektron yang tinggi juga membolehkan GaN digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi. Faktor ini menjadikan GaN kritikal untuk aplikasi kuasa RF yang beroperasi jauh melebihi julat GHz (sesuatu yang silikon bergelut dengannya).

Walau bagaimanapun, silikon adalah lebih baik sedikit daripada GaN dari segi kekonduksian terma, yang bermaksud bahawa peranti GaN mempunyai keperluan haba yang lebih besar daripada peranti silikon. Akibatnya, kekurangan kekonduksian terma mengehadkan keupayaan untuk mengecilkan peranti GaN apabila beroperasi pada kuasa tinggi (kerana sebahagian besar bahan diperlukan untuk menghilangkan haba).

GaNTumit Achilles - Tiada Jenis-P

Memang bagus untuk mempunyai semikonduktor yang boleh beroperasi pada kuasa tinggi pada frekuensi tinggi, tetapi untuk semua kelebihan yang ditawarkan GaN, terdapat satu kelemahan utama yang sangat menghalang keupayaannya untuk menggantikan silikon dalam banyak aplikasi: kekurangan jenis-P.

Boleh dikatakan, salah satu matlamat utama bahan yang baru ditemui ini adalah untuk meningkatkan kecekapan secara mendadak dan menyokong kuasa dan voltan yang lebih tinggi, dan tidak ada keraguan bahawa transistor GaN semasa boleh mencapai ini. Walau bagaimanapun, walaupun transistor GaN individu menawarkan beberapa sifat yang mengagumkan, hakikat bahawa semua peranti GaN komersil semasa adalah jenis N menjejaskan keupayaan mereka untuk menjadi sangat cekap.

Untuk memahami mengapa ini berlaku, kita perlu melihat bagaimana logik NMOS dan CMOS berfungsi. Logik NMOS ialah teknologi yang sangat popular pada tahun 1970-an dan 1980-an kerana proses pembuatan dan reka bentuknya yang mudah. Dengan menggunakan perintang tunggal yang disambungkan antara bekalan kuasa dan longkang transistor MOS jenis N, get transistor tersebut dapat mengawal voltan pada longkang transistor MOS, dengan berkesan melaksanakan bukan get. Apabila digabungkan dengan transistor NMOS lain, adalah mungkin untuk mencipta semua komponen logik, termasuk AND, OR, XOR dan selak.

Walau bagaimanapun, walaupun teknik ini mudah, ia menggunakan perintang untuk memberikan kuasa, yang bermaksud bahawa banyak kuasa terbuang pada perintang apabila transistor NMOS dihidupkan. Untuk satu get, kehilangan kuasa ini adalah minimum, tetapi boleh meningkat apabila menskalakan kepada CPU 8-bit kecil, yang boleh memanaskan peranti dan mengehadkan bilangan peranti aktif pada satu cip.