Vor- und Nachteile von Galliumnitrid (GaN)-Anwendungen

Während die Welt nach neuen Möglichkeiten im Halbleiterbereich sucht,Galliumnitridgilt weiterhin als potenzieller Kandidat für zukünftige Energie- und HF-Anwendungen. Doch trotz all der Vorteile, die es bietet, steht es immer noch vor einer großen Herausforderung; Es gibt keine P-Typ-Produkte (P-Typ). Warum wird GaN als das nächste große Halbleitermaterial angepriesen, warum ist das Fehlen von P-Typ-GaN-Bauelementen ein großer Nachteil und was bedeutet das für zukünftige Designs?

In der Elektronik gelten vier Tatsachen, seit die ersten elektronischen Geräte auf den Markt kamen: Sie müssen so klein wie möglich, so günstig wie möglich, so viel Strom wie möglich liefern und so wenig Strom wie möglich verbrauchen. Wenn man bedenkt, dass diese Anforderungen sich oft widersprechen, ist der Versuch, das perfekte elektronische Gerät zu entwickeln, das diese vier Anforderungen erfüllen kann, ein bisschen ein Wunschtraum, aber das hat die Ingenieure nicht davon abgehalten, alles zu tun, um dies zu erreichen.

Mithilfe dieser vier Leitprinzipien ist es Ingenieuren gelungen, eine Vielzahl scheinbar unmöglicher Aufgaben zu lösen: Computer schrumpften von raumgroßen Geräten auf Chips, die kleiner als ein Reiskorn sind, Smartphones, die drahtlose Kommunikation und Zugang zum Internet ermöglichen, und Virtual-Reality-Systeme das nun unabhängig vom Host-Computer getragen und verwendet werden kann. Da Ingenieure jedoch an die physikalischen Grenzen häufig verwendeter Materialien wie Silizium stoßen, wird es unmöglich, Geräte kleiner zu machen und weniger Strom zu verbrauchen.

Daher suchen Forscher ständig nach neuen Materialien, die solche gängigen Materialien ersetzen und weiterhin kleinere Geräte bereitstellen können, die effizienter arbeiten. Galliumnitrid (GaN) ist aus offensichtlichen Gründen ein Material, das im Vergleich zu Silizium viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat.

GaNDie überlegene Effizienz

Erstens leitet GaN Elektrizität 1.000-mal effizienter als Silizium und ermöglicht so den Betrieb bei höheren Strömen. Dies bedeutet, dass GaN-Geräte mit deutlich höherer Leistung betrieben werden können, ohne viel Wärme zu erzeugen, und daher bei gleicher Leistung kleiner gebaut werden können.

Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von GaN etwas geringer ist als die von Silizium, eröffnen seine Vorteile im Wärmemanagement neue Möglichkeiten für die Hochleistungselektronik. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist und Kühllösungen minimiert werden müssen, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilelektronik. Die Fähigkeit von GaN-Geräten, die Leistung auch bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten, unterstreicht ihr Potenzial für Anwendungen in rauen Umgebungen zusätzlich.

Zweitens ermöglicht die größere Bandlücke von GaN (3,4 eV gegenüber 1,1 eV) den Einsatz bei höheren Spannungen vor dem dielektrischen Durchschlag. Dadurch ist GaN nicht nur in der Lage, mehr Leistung zu liefern, sondern kann dies auch bei höheren Spannungen bei gleichzeitig höherer Effizienz tun.

Die hohe Elektronenmobilität ermöglicht auch den Einsatz von GaN bei höheren Frequenzen. Dieser Faktor macht GaN von entscheidender Bedeutung für HF-Leistungsanwendungen, die weit über dem GHz-Bereich arbeiten (etwas, mit dem Silizium zu kämpfen hat).

Allerdings ist Silizium hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit etwas besser als GaN, was bedeutet, dass GaN-Geräte höhere thermische Anforderungen haben als Siliziumgeräte. Infolgedessen schränkt die fehlende Wärmeleitfähigkeit die Möglichkeit ein, GaN-Geräte bei Betrieb mit hoher Leistung zu verkleinern (da große Materialbrocken zur Wärmeableitung erforderlich sind).

GaNAchillesferse - Kein P-Typ

Es ist großartig, Halbleiter zu haben, die mit hoher Leistung und hohen Frequenzen arbeiten können, aber trotz aller Vorteile, die GaN bietet, gibt es einen großen Nachteil, der seine Fähigkeit, Silizium in vielen Anwendungen zu ersetzen, erheblich beeinträchtigt: das Fehlen von P-Typen.

Eines der Hauptziele dieser neu entdeckten Materialien besteht wohl darin, die Effizienz drastisch zu steigern und höhere Leistungen und Spannungen zu unterstützen, und es besteht kein Zweifel daran, dass aktuelle GaN-Transistoren dies erreichen können. Obwohl einzelne GaN-Transistoren einige beeindruckende Eigenschaften bieten, beeinträchtigt die Tatsache, dass alle aktuellen kommerziellen GaN-Geräte vom N-Typ sind, ihre Fähigkeit, äußerst effizient zu sein.

Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns ansehen, wie die NMOS- und CMOS-Logik funktioniert. NMOS-Logik war in den 1970er und 1980er Jahren aufgrund ihres einfachen Herstellungsprozesses und Designs eine sehr beliebte Technologie. Durch die Verwendung eines einzelnen Widerstands, der zwischen der Stromversorgung und dem Drain eines MOS-Transistors vom N-Typ angeschlossen ist, kann das Gate dieses Transistors die Spannung am Drain des MOS-Transistors steuern und so effektiv ein Nicht-Gate implementieren. In Kombination mit anderen NMOS-Transistoren ist es möglich, alle Logikkomponenten zu erstellen, einschließlich UND, ODER, XOR und Latches.

Obwohl diese Technik einfach ist, werden zur Stromversorgung Widerstände verwendet, was bedeutet, dass viel Energie an die Widerstände verschwendet wird, wenn die NMOS-Transistoren eingeschaltet sind. Bei einem einzelnen Gate ist dieser Leistungsverlust minimal, kann sich jedoch bei der Skalierung auf kleine 8-Bit-CPUs erhöhen, was das Gerät aufheizen und die Anzahl der aktiven Geräte auf einem einzelnen Chip begrenzen kann.