Галий нитриді (GaN) қолданбаларының артықшылықтары мен кемшіліктері

Әлем жартылай өткізгіштерде жаңа мүмкіндіктерді іздеген кезде,галий нитридіболашақ қуат пен радиожиілік қосымшалары үшін әлеуетті үміткер ретінде ерекшеленуін жалғастыруда. Дегенмен, ол ұсынатын барлық артықшылықтарға қарамастан, ол әлі де үлкен қиындыққа тап болады; P-типті (P-түрі) өнімдер жоқ. Неліктен GaN келесі негізгі жартылай өткізгіш материал ретінде белгіленеді, неге P-типті GaN құрылғыларының жетіспеушілігі басты кемшілік болып табылады және бұл болашақ конструкциялар үшін нені білдіреді?

Электроникада алғашқы электронды құрылғылар нарыққа шыққаннан бері төрт факт сақталды: олар мүмкіндігінше шағын, мүмкіндігінше арзан болуы керек, мүмкіндігінше көп қуат беруі және мүмкіндігінше аз қуат тұтынуы керек. Бұл талаптардың жиі бір-біріне қайшы келетінін ескерсек, осы төрт талапты орындай алатын тамаша электронды құрылғыны жасауға тырысу аздап арман сияқты, бірақ бұл инженерлерге оны жүзеге асыру үшін қолдан келгеннің бәрін істеуге кедергі болған жоқ.

Осы төрт жетекші қағиданы пайдалана отырып, инженерлер компьютерлер бөлме өлшеміндегі құрылғылардан күріш дәнінен кіші чиптерге дейін кішірейіп, сымсыз байланыс пен Интернетке қол жеткізуге мүмкіндік беретін смартфондар және виртуалды шындық жүйелері арқылы мүмкін емес болып көрінетін әртүрлі тапсырмаларды орындай алды. оны енді негізгі компьютерден тәуелсіз киюге және пайдалануға болады. Дегенмен, инженерлер кремний сияқты жиі қолданылатын материалдардың физикалық шегіне жақындаған сайын, құрылғыларды кішірейту және аз қуатты пайдалану мүмкін емес.

Нәтижесінде, зерттеушілер осындай кең таралған материалдарды алмастыра алатын және тиімдірек жұмыс істейтін шағын құрылғыларды қамтамасыз етуді жалғастыра алатын жаңа материалдарды үнемі іздейді. Галлий нитриді (GaN) - белгілі себептермен кремниймен салыстырғанда көп назар аударған материал.

GaN-ның жоғары тиімділігі

Біріншіден, GaN кремнийге қарағанда электр тогын 1000 есе тиімді өткізеді, бұл оның жоғары токтарда жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Бұл GaN құрылғылары көп жылу шығармай, айтарлықтай жоғары қуатта жұмыс істей алатынын және осылайша берілген қуат үшін кішірейтуге болатынын білдіреді.

GaN жылу өткізгіштігі кремнийден сәл төмен болса да, оның жылуды басқару артықшылықтары жоғары қуатты электроника үшін жаңа мүмкіндіктер ашады. Бұл әсіресе ғарыш кеңістігі жоғары және салқындату шешімдерін азайту қажет болатын қолданбалар үшін өте маңызды, мысалы, аэроғарыш және автомобиль электроникасы және GaN құрылғыларының жоғары температурада өнімділікті сақтау қабілеті олардың қоршаған ортаның қатал қолданбалары үшін әлеуетін одан әрі көрсетеді.

Екіншіден, GaN ауқымының үлкен диапазоны (3,4эВ қарсы 1,1эВ) диэлектриктердің ыдырауына дейін жоғары кернеулерде пайдалануға мүмкіндік береді. Нәтижесінде GaN тек көбірек қуат беруге қабілетті ғана емес, сонымен қатар оны жоғары тиімділікті сақтай отырып, жоғары кернеулерде жасай алады.

Жоғары электрондардың қозғалғыштығы GaN-ті жоғары жиілікте пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл фактор GHz диапазонынан жоғары жұмыс істейтін (кремний күресетін нәрсе) RF қуат қолданбалары үшін GaN-ді маңызды етеді.

Дегенмен, жылу өткізгіштігі бойынша кремний GaN-ден сәл жақсырақ, бұл GaN құрылғыларының кремний құрылғыларына қарағанда жылу талаптары жоғары екенін білдіреді. Нәтижесінде, жылу өткізгіштіктің болмауы жоғары қуатта жұмыс істегенде GaN құрылғыларын қысқарту мүмкіндігін шектейді (өйткені жылуды тарату үшін материалдың үлкен бөліктері қажет).

GaNАхиллес өкшесі - P-типі жоқ

Жоғары жиіліктерде жоғары қуатта жұмыс істей алатын жартылай өткізгіштердің болуы өте жақсы, бірақ GaN ұсынатын барлық артықшылықтарға қарамастан, оның көптеген қолданбаларда кремнийді алмастыру мүмкіндігін айтарлықтай тежейтін бір маңызды кемшілігі бар: P-түрлерінің болмауы.

Осы жаңадан ашылған материалдардың негізгі мақсаттарының бірі тиімділікті күрт арттыру және жоғары қуат пен кернеуді қолдау болып табылады және ағымдағы GaN транзисторлары бұған қол жеткізе алатынына күмән жоқ. Дегенмен, жеке GaN транзисторлары кейбір әсерлі қасиеттерді ұсынса да, барлық ағымдағы коммерциялық GaN құрылғыларының N-типті болуы олардың өте тиімді болу мүмкіндігін бұзады.

Неліктен бұлай екенін түсіну үшін NMOS және CMOS логикасы қалай жұмыс істейтінін қарастыруымыз керек. NMOS логикасы 1970 және 1980 жылдары қарапайым өндіріс процесі мен дизайнына байланысты өте танымал технология болды. N-типті MOS транзисторының қуат көзі мен ағызу арасында қосылған жалғыз резисторды пайдалану арқылы бұл транзистордың қақпасы MOS транзисторының ағызуындағы кернеуді басқара алады, бұл қақпаны тиімді жүзеге асырады. Басқа NMOS транзисторларымен біріктірілгенде, барлық логикалық құрамдастарды, соның ішінде ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, XOR және ысырмаларды жасауға болады.

Дегенмен, бұл әдіс қарапайым болғанымен, ол қуат беру үшін резисторларды пайдаланады, яғни NMOS транзисторлары қосулы кезде резисторларға көп қуат жұмсалады. Бір қақпа үшін бұл қуат жоғалуы минималды, бірақ шағын 8 биттік процессорларға масштабтау кезінде артуы мүмкін, бұл құрылғыны қыздырып, бір чиптегі белсенді құрылғылардың санын шектей алады.