Kepincangan Maut GaN

Ketika dunia mencari peluang baharu dalam bidang semikonduktor,Gallium Nitrida (GaN)terus menonjol sebagai calon berpotensi untuk aplikasi kuasa dan RF masa hadapan. Walau bagaimanapun, walaupun terdapat banyak manfaatnya, GaN menghadapi cabaran yang ketara: ketiadaan produk jenis P. kenapaGaNdipuji sebagai bahan semikonduktor utama seterusnya, mengapa kekurangan peranti GaN jenis P merupakan kelemahan kritikal, dan apakah maksudnya untuk reka bentuk masa hadapan?

kenapaGaNDipuji sebagai Bahan Semikonduktor Utama Seterusnya?

Dalam bidang elektronik, empat fakta telah berterusan sejak peranti elektronik pertama memasuki pasaran: ia perlu dibuat sekecil mungkin, semurah mungkin, menawarkan kuasa sebanyak mungkin dan menggunakan kuasa sesedikit mungkin. Memandangkan keperluan ini sering bercanggah antara satu sama lain, percubaan untuk mencipta peranti elektronik yang sempurna yang memenuhi keempat-empat keperluan kelihatan seperti mimpi di siang hari. Walau bagaimanapun, ini tidak menghalang jurutera daripada berusaha untuk mencapainya.

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

Oleh itu, penyelidik sentiasa mencari bahan baharu yang berpotensi menggantikan bahan biasa tersebut dan terus menawarkan peranti yang lebih kecil dan cekap.Gallium Nitrida (GaN)adalah salah satu bahan yang telah mendapat perhatian yang ketara, dan sebab-sebabnya adalah jelas jika dibandingkan dengan silikon.

Apa yang MembuatGallium NitridaSangat Cekap?

Pertama, kekonduksian elektrik GaN adalah 1000 kali lebih tinggi daripada silikon, membolehkannya beroperasi pada arus yang lebih tinggi. Ini bermaknaGaNperanti boleh berjalan pada tahap kuasa yang jauh lebih tinggi tanpa menghasilkan haba yang berlebihan, membolehkan peranti itu dibuat lebih kecil untuk output kuasa tertentu.

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

Kedua, jurang jalur GaN yang lebih besar (3.4eV berbanding 1.1eV) membolehkan ia digunakan pada voltan yang lebih tinggi sebelum kerosakan dielektrik. Akibatnya,GaNbukan sahaja menawarkan kuasa yang lebih besar tetapi juga boleh beroperasi pada voltan yang lebih tinggi sambil mengekalkan kecekapan yang lebih tinggi.

Mobiliti elektron yang tinggi juga membenarkanGaNuntuk digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi. Faktor ini menjadikan GaN penting untuk aplikasi kuasa RF yang beroperasi jauh melebihi julat GHz, yang sukar dikendalikan oleh silikon. Walau bagaimanapun, dari segi kekonduksian terma, silikon sedikit mengatasi prestasiGaN, bermakna peranti GaN mempunyai keperluan haba yang lebih besar berbanding peranti silikon. Akibatnya, kekurangan kekonduksian terma mengehadkan keupayaan untuk mengecilkanGaNperanti untuk operasi berkuasa tinggi, kerana isipadu bahan yang lebih besar diperlukan untuk pelesapan haba.

Apakah Kepincangan FatalGaN—Kurang P-jenis?

Mempunyai semikonduktor yang mampu beroperasi pada kuasa tinggi dan frekuensi tinggi adalah sangat baik. Walau bagaimanapun, di sebalik semua kelebihannya, GaN mempunyai satu kelemahan utama yang secara serius menghalang keupayaannya untuk menggantikan silikon dalam banyak aplikasi: kekurangan peranti GaN jenis P.

Salah satu tujuan utama bahan yang baru ditemui ini adalah untuk meningkatkan kecekapan dengan ketara dan menyokong kuasa dan voltan yang lebih tinggi, dan tidak ada keraguan bahawa arusGaNtransistor boleh mencapai ini. Walau bagaimanapun, walaupun transistor GaN individu sememangnya boleh memberikan beberapa ciri yang mengagumkan, hakikat bahawa semua komersil semasaGaNperanti jenis N menjejaskan keupayaan kecekapannya.

Untuk memahami mengapa ini berlaku, kita perlu melihat cara logik NMOS dan CMOS berfungsi. Disebabkan proses pembuatan dan reka bentuk yang mudah, logik NMOS merupakan teknologi yang sangat popular pada tahun 1970-an dan 1980-an. Dengan menggunakan perintang tunggal yang disambungkan di antara bekalan kuasa dan salur transistor MOS jenis N, get transistor ini boleh mengawal voltan longkang transistor MOS, dengan berkesan melaksanakan get NOT. Apabila digabungkan dengan transistor NMOS lain, semua elemen logik, termasuk AND, OR, XOR, dan selak, boleh dibuat.

Walau bagaimanapun, walaupun teknologi ini mudah, ia menggunakan perintang untuk memberikan kuasa. Ini bermakna apabila transistor NMOS menjalankan, sejumlah besar kuasa terbuang pada perintang. Untuk pagar individu, kehilangan kuasa ini adalah minimum, tetapi apabila ditingkatkan kepada CPU 8-bit yang kecil, kehilangan kuasa ini boleh terkumpul, memanaskan peranti dan mengehadkan bilangan komponen aktif pada satu cip.

Bagaimanakah Teknologi NMOS Berubah kepada CMOS?

Sebaliknya, CMOS menggunakan transistor jenis P dan jenis N yang berfungsi secara sinergi dalam cara yang bertentangan. Tanpa mengira keadaan input get logik CMOS, output get tidak membenarkan sambungan dari kuasa ke tanah, mengurangkan kehilangan kuasa dengan ketara (sama seperti apabila jenis-N mengalir, penebat jenis P, dan sebaliknya). Malah, satu-satunya kehilangan kuasa sebenar dalam litar CMOS berlaku semasa peralihan keadaan, di mana sambungan sementara antara kuasa dan tanah terbentuk melalui pasangan pelengkap.

Kembali keGaNperanti, kerana hanya peranti jenis N yang wujud pada masa ini, satu-satunya teknologi yang tersedia untukGaNialah NMOS, yang sememangnya mementingkan kuasa. Ini bukan isu untuk penguat RF, tetapi ia adalah kelemahan utama untuk litar logik.

Memandangkan penggunaan tenaga global terus meningkat dan kesan teknologi terhadap alam sekitar diteliti dengan teliti, usaha mencapai kecekapan tenaga dalam elektronik telah menjadi lebih kritikal berbanding sebelum ini. Had penggunaan kuasa teknologi NMOS menggariskan keperluan mendesak untuk penemuan dalam bahan semikonduktor untuk menawarkan prestasi tinggi dan kecekapan tenaga yang tinggi. Pembangunan jenis PGaNatau teknologi pelengkap alternatif boleh menandakan peristiwa penting dalam usaha ini, yang berpotensi merevolusikan reka bentuk peranti elektronik yang cekap tenaga.

Menariknya, adalah mungkin untuk mengeluarkan jenis PGaNperanti, dan ini telah digunakan dalam sumber cahaya LED biru, termasuk Blu-ray. Walau bagaimanapun, walaupun peranti ini mencukupi untuk keperluan optoelektronik, ia jauh dari ideal untuk logik digital dan aplikasi kuasa. Sebagai contoh, satu-satunya dopan praktikal untuk pembuatan P-jenisGaNperanti adalah magnesium, tetapi disebabkan kepekatan tinggi yang diperlukan, hidrogen boleh memasuki struktur dengan mudah semasa penyepuhlindapan, menjejaskan prestasi bahan.

Oleh itu, ketiadaan P-jenisGaNperanti menghalang jurutera daripada mengeksploitasi sepenuhnya potensi GaN sebagai semikonduktor.

Apakah Maksud Ini untuk Jurutera Masa Depan?

Pada masa ini, banyak bahan sedang dikaji, dengan calon utama lain ialah silikon karbida (SiC). SukaGaN, berbanding silikon, ia menawarkan voltan operasi yang lebih tinggi, voltan pecahan yang lebih besar dan kekonduksian yang lebih baik. Selain itu, kekonduksian terma yang tinggi membolehkan ia digunakan pada suhu yang melampau dan saiz yang jauh lebih kecil sambil mengawal kuasa yang lebih besar.

Namun, tidak sepertiGaN, SiC tidak sesuai untuk frekuensi tinggi, bermakna ia tidak mungkin digunakan untuk aplikasi RF. Oleh itu,GaNkekal sebagai pilihan pilihan bagi jurutera yang ingin mencipta penguat kuasa kecil. Satu penyelesaian kepada isu jenis P adalah dengan menggabungkanGaNdengan transistor MOS silikon jenis P. Walaupun ini memberikan keupayaan pelengkap, ia sememangnya mengehadkan kekerapan dan kecekapan GaN.

Apabila teknologi semakin maju, penyelidik akhirnya mungkin mencari jenis-PGaNperanti atau peranti pelengkap menggunakan teknologi berbeza yang boleh digabungkan dengan GaN. Namun, sehingga hari itu tiba,GaNakan terus dikekang oleh keterbatasan teknologi masa kita.

Sifat antara disiplin penyelidikan semikonduktor, yang melibatkan sains bahan, kejuruteraan elektrik, dan fizik, menggariskan usaha kerjasama yang diperlukan untuk mengatasi batasan semasaGaNteknologi. Potensi kejayaan dalam membangunkan P-jenisGaNatau mencari bahan pelengkap yang sesuai bukan sahaja dapat meningkatkan prestasi peranti berasaskan GaN tetapi juga menyumbang kepada landskap teknologi semikonduktor yang lebih luas, membuka jalan kepada sistem elektronik yang lebih cekap, padat dan boleh dipercayai pada masa hadapan.**

Kami di Semicorex mengeluarkan dan membekal diWafer GaN Epi dan jenis wafer laindigunakan dalam pembuatan semikonduktor, jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Telefon untuk dihubungi: +86-13567891907

E-mel: sales@semicorex.com