Der fatale Fehler von GaN

Während die Welt nach neuen Möglichkeiten im Halbleiterbereich sucht,Galliumnitrid (GaN)gilt weiterhin als potenzieller Kandidat für zukünftige Energie- und HF-Anwendungen. Trotz seiner zahlreichen Vorteile steht GaN jedoch vor einer großen Herausforderung: dem Fehlen von P-Typ-Produkten. Warum istGaNWarum ist das Fehlen von GaN-Bauelementen vom P-Typ ein entscheidender Nachteil, der als nächstes großes Halbleitermaterial gefeiert wird, und was bedeutet das für zukünftige Designs?

Warum istGaNAls das nächste große Halbleitermaterial gefeiert?

Im Bereich der Elektronik haben sich seit der Markteinführung der ersten elektronischen Geräte vier Tatsachen durchgesetzt: Sie müssen so klein wie möglich, so günstig wie möglich, möglichst viel Leistung bieten und so wenig Strom wie möglich verbrauchen. Angesichts der Tatsache, dass diese Anforderungen oft im Widerspruch zueinander stehen, scheint der Versuch, das perfekte elektronische Gerät zu entwickeln, das alle vier Anforderungen erfüllt, wie ein Tagtraum. Dies hat die Ingenieure jedoch nicht davon abgehalten, dieses Ziel zu erreichen.

Mithilfe dieser vier Leitprinzipien ist es Ingenieuren gelungen, eine Vielzahl scheinbar unmöglicher Aufgaben zu lösen. Computer sind von raumgroßen Maschinen auf Chips kleiner als ein Reiskorn geschrumpft, Smartphones ermöglichen heute drahtlose Kommunikation und Internetzugang und Virtual-Reality-Systeme können nun unabhängig von einem Host getragen und genutzt werden. Da Ingenieure jedoch an die physikalischen Grenzen häufig verwendeter Materialien wie Silizium stoßen, wird es immer schwieriger, Geräte kleiner zu machen und weniger Strom zu verbrauchen.

Daher sind Forscher ständig auf der Suche nach neuen Materialien, die möglicherweise solche gängigen Materialien ersetzen und weiterhin kleinere, effizientere Geräte anbieten könnten.Galliumnitrid (GaN)ist ein solches Material, das große Aufmerksamkeit erregt hat, und die Gründe liegen im Vergleich zu Silizium auf der Hand.

Was machtGalliumnitridAußergewöhnlich effizient?

Erstens ist die elektrische Leitfähigkeit von GaN 1000-mal höher als die von Silizium, was den Betrieb bei höheren Strömen ermöglicht. Das heisstGaNGeräte können mit deutlich höherer Leistung betrieben werden, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen, sodass sie für eine bestimmte Ausgangsleistung kleiner gebaut werden können.

Trotz der etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit von GaN im Vergleich zu Silizium ebnen seine Vorteile beim Wärmemanagement den Weg für neue Wege in der Hochleistungselektronik. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist und Kühllösungen minimiert werden müssen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilelektronik.GaNDie Fähigkeit der Geräte, die Leistung auch bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten, unterstreicht ihr Potenzial für Anwendungen in rauen Umgebungen.

Zweitens ermöglicht die größere Bandlücke von GaN (3,4 eV im Vergleich zu 1,1 eV) den Einsatz bei höheren Spannungen vor dem dielektrischen Durchschlag. Folglich,GaNbietet nicht nur mehr Leistung, sondern kann auch mit höheren Spannungen betrieben werden und behält gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad bei.

Auch eine hohe Elektronenmobilität ermöglicht diesGaNbei höheren Frequenzen eingesetzt werden. Dieser Faktor macht GaN unverzichtbar für HF-Leistungsanwendungen, die deutlich über dem GHz-Bereich arbeiten, den Silizium nur schwer bewältigen kann. In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit ist Silizium jedoch leicht überlegenGaNDies bedeutet, dass GaN-Geräte im Vergleich zu Siliziumgeräten höhere thermische Anforderungen haben. Infolgedessen schränkt die fehlende Wärmeleitfähigkeit die Möglichkeit der Miniaturisierung einGaNGeräte für Hochleistungsbetriebe, da größere Materialmengen zur Wärmeableitung benötigt werden.

Was ist der fatale Fehler?GaN—Mangel an P-Typ?

Es ist ausgezeichnet, einen Halbleiter zu haben, der bei hoher Leistung und hohen Frequenzen arbeiten kann. Trotz all seiner Vorteile weist GaN jedoch einen großen Nachteil auf, der seine Fähigkeit, Silizium in vielen Anwendungen zu ersetzen, erheblich beeinträchtigt: das Fehlen von P-Typ-GaN-Bauelementen.

Einer der Hauptzwecke dieser neu entdeckten Materialien besteht darin, die Effizienz erheblich zu verbessern und höhere Leistungen und Spannungen zu unterstützen, und es besteht kein Zweifel daran, dass dies der Fall istGaNTransistoren können dies erreichen. Obwohl einzelne GaN-Transistoren tatsächlich einige beeindruckende Eigenschaften bieten können, ist die Tatsache, dass alle aktuellen kommerziellenGaNGeräte vom N-Typ wirken sich auf ihre Effizienz aus.

Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns ansehen, wie die NMOS- und CMOS-Logik funktioniert. Aufgrund ihres einfachen Herstellungsprozesses und Designs war die NMOS-Logik in den 1970er und 1980er Jahren eine sehr beliebte Technologie. Durch die Verwendung eines einzelnen Widerstands, der zwischen der Stromversorgung und dem Drain eines N-Typ-MOS-Transistors angeschlossen ist, kann das Gate dieses Transistors die Drain-Spannung des MOS-Transistors steuern und so effektiv ein NICHT-Gatter implementieren. In Kombination mit anderen NMOS-Transistoren können alle Logikelemente, einschließlich AND, OR, XOR und Latches, erstellt werden.

Obwohl diese Technologie einfach ist, werden zur Stromversorgung Widerstände verwendet. Das bedeutet, dass beim Leiten von NMOS-Transistoren eine erhebliche Menge an Energie an die Widerstände verschwendet wird. Bei einem einzelnen Gate ist dieser Leistungsverlust minimal, aber bei einer Skalierung auf eine kleine 8-Bit-CPU kann sich dieser Leistungsverlust ansammeln, das Gerät erhitzen und die Anzahl der aktiven Komponenten auf einem einzelnen Chip begrenzen.

Wie hat sich die NMOS-Technologie zu CMOS entwickelt?

Andererseits verwendet CMOS P-Typ- und N-Typ-Transistoren, die synergetisch auf entgegengesetzte Weise arbeiten. Unabhängig vom Eingangszustand des CMOS-Logikgatters lässt der Ausgang des Gatters keine Verbindung von Strom zu Masse zu, wodurch der Leistungsverlust erheblich reduziert wird (so wie wenn der N-Typ leitet, der P-Typ isoliert und umgekehrt). Tatsächlich tritt der einzige wirkliche Leistungsverlust in CMOS-Schaltkreisen während Zustandsübergängen auf, bei denen eine vorübergehende Verbindung zwischen Leistung und Masse durch Komplementärpaare hergestellt wird.

Zurück zuGaNGeräte, da es derzeit nur N-Typ-Geräte gibt, die einzige verfügbare Technologie fürGaNist NMOS, das von Natur aus stromhungrig ist. Für HF-Verstärker stellt dies kein Problem dar, für Logikschaltungen ist es jedoch ein großer Nachteil.

Da der weltweite Energieverbrauch weiter steigt und die Umweltauswirkungen der Technologie genau unter die Lupe genommen werden, ist das Streben nach Energieeffizienz in der Elektronik wichtiger denn je. Die Einschränkungen des Stromverbrauchs der NMOS-Technologie unterstreichen den dringenden Bedarf an Durchbrüchen bei Halbleitermaterialien, um hohe Leistung und hohe Energieeffizienz zu bieten. Die Entwicklung des P-TypsGaNoder alternative komplementäre Technologien könnten einen wichtigen Meilenstein auf diesem Weg darstellen und möglicherweise das Design energieeffizienter elektronischer Geräte revolutionieren.

Interessanterweise ist es durchaus möglich, P-Typen herzustellenGaNGeräte, und diese wurden in blauen LED-Lichtquellen, einschließlich Blu-ray, verwendet. Obwohl diese Geräte für optoelektronische Anforderungen ausreichend sind, sind sie für digitale Logik- und Leistungsanwendungen alles andere als ideal. Zum Beispiel der einzige praktische Dotierstoff zur Herstellung von P-TypenGaNBei Bauteilen handelt es sich um Magnesium, aber aufgrund der erforderlichen hohen Konzentration kann Wasserstoff beim Glühen leicht in die Struktur eindringen und die Leistung des Materials beeinträchtigen.

Daher das Fehlen von P-TypGaNGeräte hindern Ingenieure daran, das Potenzial von GaN als Halbleiter voll auszuschöpfen.

Was bedeutet das für zukünftige Ingenieure?

Derzeit werden viele Materialien untersucht, wobei ein weiterer wichtiger Kandidat Siliziumkarbid (SiC) ist. WieGaNIm Vergleich zu Silizium bietet es eine höhere Betriebsspannung, eine größere Durchbruchspannung und eine bessere Leitfähigkeit. Darüber hinaus ermöglicht seine hohe Wärmeleitfähigkeit den Einsatz bei extremen Temperaturen und deutlich kleineren Größen bei gleichzeitiger Steuerung größerer Leistung.

Allerdings im GegensatzGaNSiC ist nicht für hohe Frequenzen geeignet und wird daher wahrscheinlich nicht für HF-Anwendungen verwendet. Daher,GaNbleibt die bevorzugte Wahl für Ingenieure, die kleine Leistungsverstärker entwickeln möchten. Eine Lösung für das P-Typ-Problem ist die KombinationGaNmit Silizium-MOS-Transistoren vom P-Typ. Dies bietet zwar ergänzende Fähigkeiten, schränkt jedoch grundsätzlich die Häufigkeit und Effizienz von GaN ein.

Mit fortschreitender Technologie könnten Forscher schließlich den P-Typ findenGaNGeräte oder ergänzende Geräte mit unterschiedlichen Technologien, die mit GaN kombiniert werden können. Doch bis dieser Tag kommt,GaNwird weiterhin durch die technologischen Beschränkungen unserer Zeit eingeschränkt sein.

Der interdisziplinäre Charakter der Halbleiterforschung, der Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Physik umfasst, unterstreicht die gemeinsamen Anstrengungen, die erforderlich sind, um die aktuellen Einschränkungen zu überwindenGaNTechnologie. Mögliche Durchbrüche bei der Entwicklung des P-TypsGaNoder die Suche nach geeigneten komplementären Materialien könnte nicht nur die Leistung von GaN-basierten Geräten verbessern, sondern auch zur breiteren Halbleitertechnologielandschaft beitragen und den Weg für effizientere, kompaktere und zuverlässigere elektronische Systeme in der Zukunft ebnen.**

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