GaN-ның өлімге әкелетін кемшілігі

Әлем жартылай өткізгіштер саласында жаңа мүмкіндіктерді іздеп жатқанда,Галий нитриді (GaN)болашақ қуат пен радиожиілік қосымшалары үшін әлеуетті үміткер ретінде ерекшеленуін жалғастыруда. Дегенмен, көптеген артықшылықтарына қарамастан, GaN айтарлықтай қиындыққа тап болады: P типті өнімдердің болмауы. НеліктенGaNкелесі негізгі жартылай өткізгіш материал ретінде аталды, неге P-типті GaN құрылғыларының жетіспеушілігі маңызды кемшілік болып табылады және бұл болашақ конструкциялар үшін нені білдіреді?

НеліктенGaNКелесі негізгі жартылай өткізгіш материал ретінде аталды ма?

Электроника саласында алғашқы электронды құрылғылар нарыққа шыққаннан бері төрт факт сақталды: олар мүмкіндігінше кішкентай, мүмкіндігінше арзан болуы керек, мүмкіндігінше көп қуат ұсынуы және мүмкіндігінше аз қуат тұтынуы керек. Бұл талаптардың жиі бір-бірімен қайшы келетінін ескерсек, төрт талаптың барлығына жауап беретін тамаша электронды құрылғыны жасауға әрекет жасау арман сияқты көрінеді. Дегенмен, бұл инженерлердің оған жетуге ұмтылуын тоқтатқан жоқ.

Осы төрт жетекші қағиданы пайдалана отырып, инженерлер мүмкін емес болып көрінетін әртүрлі тапсырмаларды орындай алды. Компьютерлер бөлме өлшеміндегі машиналардан күріш дәнінен кіші чиптерге дейін қысқарды, смартфондар енді сымсыз байланыс пен интернетке қол жеткізуге мүмкіндік береді және виртуалды шындық жүйелері енді хостқа тәуелсіз киюге және пайдалануға болады. Дегенмен, инженерлер кремний сияқты жиі қолданылатын материалдардың физикалық шегіне жақындаған сайын, құрылғыларды кішірейту және аз қуат тұтыну қиынға соғады.

Демек, зерттеушілер мұндай жалпы материалдарды алмастыра алатын және кішірек, тиімдірек құрылғыларды ұсына алатын жаңа материалдарды үнемі іздейді.Галий нитриді (GaN)айтарлықтай назар аударған осындай материалдың бірі болып табылады және кремниймен салыстырғанда оның себептері анық.

Не жасайдыГалий нитридіЕрекше тиімді ме?

Біріншіден, GaN электр өткізгіштігі кремнийден 1000 есе жоғары, бұл оның жоғары токтарда жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Бұл білдіредіGaNқұрылғылар шамадан тыс жылуды тудырмай, айтарлықтай жоғары қуат деңгейлерінде жұмыс істей алады, бұл оларды берілген қуат шығысы үшін кішірейтуге мүмкіндік береді.

GaNкремниймен салыстырғанда біршама төмен жылу өткізгіштігіне қарамастан, оның жылуды басқару артықшылықтары жоғары қуатты электроникада жаңа жолдарға жол ашады. Бұл әсіресе ғарыш кеңістігі жоғары және салқындату шешімдерін азайтуды қажет ететін қолданбалар үшін өте маңызды, мысалы, аэроғарыш және автомобиль электроникасы.GaNқұрылғылардың жоғары температурада өнімділігін сақтау қабілеті олардың қатал орта қолданбаларында әлеуетін одан әрі көрсетеді.

Екіншіден, GaN диапазонының үлкен диапазоны (1,1эВ салыстырғанда 3,4эВ) оны диэлектриктердің ыдырауына дейін жоғары кернеулерде пайдалануға мүмкіндік береді. Демек,GaNүлкен қуат беріп қана қоймайды, сонымен қатар жоғары тиімділікті сақтай отырып, жоғары кернеулерде жұмыс істей алады.

Жоғары электрондардың қозғалғыштығы да мүмкіндік бередіGaNжоғары жиілікте қолданылады. Бұл фактор GaN-ді кремний өңдеуге қиын болатын ГГц диапазонынан жоғары жұмыс істейтін РЖ қуат қолданбалары үшін маңызды етеді. Дегенмен, жылу өткізгіштігі бойынша кремний сәл асып түседіGaN, яғни GaN құрылғылары кремний құрылғыларымен салыстырғанда үлкен термиялық талаптарға ие. Нәтижесінде жылу өткізгіштіктің болмауы миниатюризация мүмкіндігін шектейдіGaNжоғары қуатты операцияларға арналған құрылғылар, өйткені жылуды тарату үшін үлкенірек материал көлемі қажет.

Ненің өлімге әкелетін кемшілігіGaN— P-түрінің болмауы?

Жоғары қуатта және жоғары жиілікте жұмыс істей алатын жартылай өткізгіштің болуы өте жақсы. Дегенмен, оның барлық артықшылықтарына қарамастан, GaN көптеген қосымшаларда кремнийді ауыстыру мүмкіндігіне айтарлықтай кедергі келтіретін бір маңызды кемшілігі бар: P типті GaN құрылғыларының болмауы.

Бұл жаңадан табылған материалдардың негізгі мақсаттарының бірі тиімділікті айтарлықтай арттыру және жоғары қуат пен кернеуді қолдау болып табылады және ток күші күмән тудырмайды.GaNтранзисторлар бұған қол жеткізе алады. Дегенмен, жеке GaN транзисторлары шынымен де кейбір әсерлі сипаттамаларды бере алады, дегенмен барлық ағымдағы коммерциялық фактGaNқұрылғылардың N-типті болуы олардың тиімділік мүмкіндіктеріне әсер етеді.

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

Дегенмен, бұл технология қарапайым болғанымен, ол қуат беру үшін резисторларды пайдаланады. Бұл NMOS транзисторлары жұмыс істегенде, резисторларда қуаттың айтарлықтай мөлшері босқа кететінін білдіреді. Жеке қақпа үшін бұл қуат жоғалуы минималды, бірақ шағын 8-биттік процессорға дейін масштабтағанда, бұл қуат жоғалуы жинақталуы мүмкін, құрылғыны қыздырады және бір чиптегі белсенді компоненттердің санын шектейді.

NMOS технологиясы CMOS-қа қалай өзгерді?

Екінші жағынан, CMOS қарама-қарсы тәсілдермен синергетикалық жұмыс істейтін P типті және N типті транзисторларды пайдаланады. CMOS логикалық қақпасының кіріс күйіне қарамастан, қақпаның шығысы қуаттан жерге қосылуға мүмкіндік бермейді, бұл қуаттың жоғалуын айтарлықтай азайтады (N-типті өткізетін кездегі сияқты, P-типті оқшаулау және керісінше). Шын мәнінде, CMOS тізбектеріндегі жалғыз нақты қуатты жоғалту күйдің ауысуы кезінде орын алады, мұнда қуат пен жер арасындағы өтпелі байланыс қосымша жұптар арқылы қалыптасады.

ҚайтуGaNқұрылғылар, қазіргі уақытта тек N-типті құрылғылар болғандықтан, жалғыз қолжетімді технологияGaNNMOS болып табылады, ол қуатқа құмар. Бұл РЖ күшейткіштері үшін мәселе емес, бірақ логикалық схемалар үшін бұл үлкен кемшілік.

Жаһандық энергия тұтыну өсуде және технологияның қоршаған ортаға тигізетін әсері мұқият зерттеліп жатқандықтан, электроникада энергия тиімділігіне ұмтылу бұрынғыдан да маңыздырақ болды. NMOS технологиясының қуат тұтыну шектеулері жоғары өнімділік пен жоғары энергия тиімділігін қамтамасыз ету үшін жартылай өткізгіш материалдардағы серпілістердің шұғыл қажеттілігін көрсетеді. P-типінің дамуыGaNнемесе баламалы қосымша технологиялар энергияны үнемдейтін электрондық құрылғылардың дизайнын әлеуетті түрде өзгерте отырып, осы ізденістегі маңызды кезеңді белгілей алады.

Бір қызығы, бұл P-типті өндіруге толығымен мүмкінGaNқұрылғылар, және олар Blu-ray қоса, көк жарық диодты жарық көздерінде қолданылған. Дегенмен, бұл құрылғылар оптоэлектрондық талаптар үшін жеткілікті болғанымен, олар сандық логика мен қуат қосымшалары үшін өте қолайлы емес. Мысалы, P-типті өндіруге арналған жалғыз практикалық қоспаGaNқұрылғылар магний болып табылады, бірақ қажетті жоғары концентрацияға байланысты сутегі жасыту кезінде құрылымға оңай еніп, материалдың өнімділігіне әсер етеді.

Сондықтан P-түрінің болмауыGaNқұрылғылар инженерлерге жартылай өткізгіш ретінде GaN әлеуетін толығымен пайдалануға жол бермейді.

Бұл болашақ инженерлер үшін нені білдіреді?

Қазіргі уақытта көптеген материалдар зерттелуде, тағы бір негізгі үміткер кремний карбиді (SiC). ҰнайдыGaN, кремниймен салыстырғанда ол жоғары жұмыс кернеуін, үлкен бұзылу кернеуін және жақсы өткізгіштікті ұсынады. Сонымен қатар, оның жоғары жылу өткізгіштігі оны жоғары температурада және үлкен қуатты басқара отырып, айтарлықтай кішірек өлшемдерде пайдалануға мүмкіндік береді.

Дегенмен, айырмашылығыGaN, SiC жоғары жиіліктер үшін жарамсыз, яғни оны РЖ қолданбалары үшін пайдалану екіталай. Сондықтан,GaNшағын қуат күшейткіштерін жасағысы келетін инженерлер үшін таңдаулы таңдау болып қала береді. P-түріндегі мәселені шешудің бір жолы - біріктіруGaNP-типті кремний MOS транзисторларымен. Бұл қосымша мүмкіндіктерді қамтамасыз еткенімен, GaN жиілігі мен тиімділігін шектейді.

Технология дамыған сайын, зерттеушілер P-түрін таба аладыGaNGaN-мен біріктіруге болатын әртүрлі технологияларды пайдаланатын құрылғылар немесе қосымша құрылғылар. Алайда сол күн келгенше,GaNбіздің заманымыздың технологиялық шектеулерімен шектелетін болады.

Материалтану, электротехника және физиканы қамтитын жартылай өткізгіштерді зерттеудің пәнаралық сипаты қазіргі шектеулерді еңсеру үшін қажет бірлескен күш-жігерді көрсетеді.GaNтехнология. P-типінің дамуындағы ықтимал серпілістерGaNнемесе сәйкес қосымша материалдарды табу GaN негізіндегі құрылғылардың өнімділігін арттырып қана қоймай, сонымен бірге жартылай өткізгіштер технологиясының кең ауқымына ықпал етіп, болашақта тиімдірек, жинақы және сенімді электронды жүйелерге жол ашады.**

Біз Semicorex компаниясында өндіріп, жеткіземізGaNEpi-вафельдер және пластинаның басқа түрлеріжартылай өткізгіш өндірісінде қолданылады, егер сізде қандай да бір сұраулар болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Байланыс телефоны: +86-13567891907

Электрондық пошта: sales@semicorex.com