Ưu điểm và nhược điểm của ứng dụng Gallium Nitride (GaN)

Khi thế giới tìm kiếm những cơ hội mới trong lĩnh vực bán dẫn,gali nitrittiếp tục nổi bật như một ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng năng lượng và RF trong tương lai. Tuy nhiên, với tất cả những lợi ích mà nó mang lại, nó vẫn phải đối mặt với một thách thức lớn; không có sản phẩm loại P (loại P). Tại sao GaN được quảng cáo là vật liệu bán dẫn chính tiếp theo, tại sao việc thiếu các thiết bị GaN loại P lại là một nhược điểm lớn và điều này có ý nghĩa gì đối với các thiết kế trong tương lai?

Trong lĩnh vực điện tử, bốn thực tế vẫn tồn tại kể từ khi các thiết bị điện tử đầu tiên xuất hiện trên thị trường: chúng cần càng nhỏ càng tốt, càng rẻ càng tốt, cung cấp càng nhiều năng lượng càng tốt và tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt. Vì những yêu cầu này thường mâu thuẫn với nhau nên việc cố gắng tạo ra một thiết bị điện tử hoàn hảo có thể đáp ứng bốn yêu cầu này quả là một giấc mơ viển vông, nhưng điều đó không ngăn cản các kỹ sư làm mọi thứ có thể để biến điều đó thành hiện thực.

Sử dụng bốn nguyên tắc hướng dẫn này, các kỹ sư đã thành công trong việc hoàn thành nhiều nhiệm vụ dường như không thể, với việc máy tính thu nhỏ từ thiết bị có kích thước bằng căn phòng thành những con chip nhỏ hơn hạt gạo, điện thoại thông minh cho phép liên lạc không dây và truy cập Internet, và các hệ thống thực tế ảo. giờ đây có thể được đeo và sử dụng độc lập với máy tính chủ. Tuy nhiên, khi các kỹ sư đạt đến giới hạn vật lý của các vật liệu thường được sử dụng như silicon, việc chế tạo các thiết bị nhỏ hơn và sử dụng ít năng lượng hơn giờ đây trở nên bất khả thi.

Do đó, các nhà nghiên cứu không ngừng tìm kiếm những vật liệu mới có thể thay thế những vật liệu phổ biến đó và tiếp tục cung cấp các thiết bị nhỏ hơn hoạt động hiệu quả hơn. Gallium nitride (GaN) là một vật liệu thu hút rất nhiều sự chú ý so với silicon vì những lý do hiển nhiên.

GaNhiệu quả vượt trội

Đầu tiên, GaN dẫn điện hiệu quả hơn 1.000 lần so với silicon, cho phép nó hoạt động ở dòng điện cao hơn. Điều này có nghĩa là các thiết bị GaN có thể chạy ở công suất cao hơn đáng kể mà không tạo ra nhiều nhiệt và do đó có thể được chế tạo nhỏ hơn với cùng một công suất nhất định.

Mặc dù độ dẫn nhiệt của GaN thấp hơn một chút so với silicon nhưng ưu điểm về quản lý nhiệt của nó mở ra con đường mới cho các thiết bị điện tử công suất cao. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi không gian cao và cần giảm thiểu các giải pháp làm mát, chẳng hạn như hàng không vũ trụ và điện tử ô tô, đồng thời khả năng duy trì hiệu suất ở nhiệt độ cao của các thiết bị GaN càng làm nổi bật tiềm năng của chúng đối với các ứng dụng môi trường khắc nghiệt.

Thứ hai, dải cấm lớn hơn của GaN (3,4eV so với 1,1eV) cho phép sử dụng ở điện áp cao hơn trước khi đánh thủng điện môi. Kết quả là GaN không chỉ có khả năng cung cấp nhiều năng lượng hơn mà còn có thể làm như vậy ở điện áp cao hơn trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao hơn.

Độ linh động của điện tử cao cũng cho phép GaN được sử dụng ở tần số cao hơn. Yếu tố này khiến GaN trở nên quan trọng đối với các ứng dụng nguồn RF hoạt động tốt trên phạm vi GHz (điều mà silicon gặp khó khăn).

Tuy nhiên, silicon nhỉnh hơn GaN một chút về độ dẫn nhiệt, điều đó có nghĩa là thiết bị GaN có yêu cầu về nhiệt lớn hơn thiết bị silicon. Kết quả là, việc thiếu tính dẫn nhiệt đã hạn chế khả năng thu nhỏ các thiết bị GaN khi hoạt động ở công suất cao (vì cần những khối vật liệu lớn để tản nhiệt).

GaNGót chân Achilles - Không có loại P

Thật tuyệt vời khi có chất bán dẫn có thể hoạt động ở công suất cao ở tần số cao, nhưng với tất cả những lợi thế mà GaN mang lại, có một nhược điểm lớn cản trở nghiêm trọng khả năng thay thế silicon của nó trong nhiều ứng dụng: thiếu loại P.

Có thể cho rằng, một trong những mục đích chính của những vật liệu mới được phát hiện này là tăng đáng kể hiệu suất và hỗ trợ công suất và điện áp cao hơn, và không còn nghi ngờ gì nữa rằng các bóng bán dẫn GaN hiện tại có thể đạt được điều này. Tuy nhiên, trong khi các bóng bán dẫn GaN riêng lẻ có một số đặc tính ấn tượng thì thực tế là tất cả các thiết bị GaN thương mại hiện tại đều thuộc loại N làm ảnh hưởng đến khả năng hoạt động cực kỳ hiệu quả của chúng.

Để hiểu lý do tại sao lại như vậy, chúng ta cần xem xét cách hoạt động của logic NMOS và CMOS. Logic NMOS là một công nghệ rất phổ biến trong những năm 1970 và 1980 do quy trình và thiết kế sản xuất đơn giản của nó. Bằng cách sử dụng một điện trở duy nhất được kết nối giữa nguồn điện và cống của bóng bán dẫn MOS loại N, cổng của bóng bán dẫn đó có thể điều khiển điện áp tại cống của bóng bán dẫn MOS, thực hiện một cách hiệu quả cơ chế không cổng. Khi kết hợp với các bóng bán dẫn NMOS khác, có thể tạo ra tất cả các thành phần logic, bao gồm AND, OR, XOR và chốt.

Tuy nhiên, mặc dù kỹ thuật này đơn giản nhưng nó sử dụng điện trở để cung cấp điện, điều đó có nghĩa là rất nhiều điện năng bị lãng phí trên các điện trở khi bật bóng bán dẫn NMOS. Đối với một cổng đơn, tổn thất điện năng này là tối thiểu nhưng có thể tăng lên khi mở rộng sang CPU 8 bit nhỏ, điều này có thể làm nóng thiết bị và giới hạn số lượng thiết bị hoạt động trên một chip.