Vantaggi e svantaggi delle applicazioni del nitruro di gallio (GaN).

Mentre il mondo cerca nuove opportunità nei semiconduttori,nitruro di galliocontinua a distinguersi come potenziale candidato per future applicazioni di potenza e RF. Tuttavia, nonostante tutti i vantaggi che offre, deve ancora affrontare una sfida importante; non esistono prodotti di tipo P (tipo P). Perché il GaN è pubblicizzato come il prossimo materiale semiconduttore, perché la mancanza di dispositivi GaN di tipo P rappresenta un grave svantaggio e cosa significa questo per i progetti futuri?

Nell’elettronica, da quando i primi dispositivi elettronici sono stati immessi sul mercato, sono perdurati quattro fatti: devono essere il più piccoli possibile, il più economici possibile, fornire quanta più energia possibile e consumare la minor quantità possibile. Considerando che questi requisiti spesso si contraddicono tra loro, cercare di creare il dispositivo elettronico perfetto in grado di soddisfarli è un po' un sogno irrealizzabile, ma ciò non ha impedito agli ingegneri di fare tutto il possibile per realizzarlo.

Usando questi quattro principi guida, gli ingegneri sono riusciti a portare a termine una serie di compiti apparentemente impossibili, con i computer che si sono ridotti da dispositivi grandi come una stanza a chip più piccoli di un chicco di riso, smartphone che consentono la comunicazione wireless e l’accesso a Internet e sistemi di realtà virtuale che ora può essere indossato e utilizzato indipendentemente dal computer host. Tuttavia, poiché gli ingegneri si avvicinano ai limiti fisici dei materiali comunemente utilizzati come il silicio, rendere i dispositivi più piccoli e utilizzare meno energia sta diventando impossibile.

Di conseguenza, i ricercatori sono costantemente alla ricerca di nuovi materiali che possano sostituire i materiali comuni e continuano a fornire dispositivi più piccoli che funzionino in modo più efficiente. Il nitruro di gallio (GaN) è un materiale che ha attirato molta attenzione, rispetto al silicio, per ovvi motivi.

GaNè un'efficienza superiore

Innanzitutto, il GaN conduce l’elettricità 1.000 volte in modo più efficiente del silicio, consentendogli di funzionare a correnti più elevate. Ciò significa che i dispositivi GaN possono funzionare a una potenza significativamente più elevata senza generare molto calore e quindi possono essere ridotti a parità di potenza.

Sebbene la conduttività termica del GaN sia leggermente inferiore a quella del silicio, i suoi vantaggi nella gestione termica aprono nuove strade per l'elettronica ad alta potenza. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni in cui lo spazio è limitato e le soluzioni di raffreddamento devono essere ridotte al minimo, come l’elettronica aerospaziale e automobilistica, e la capacità dei dispositivi GaN di mantenere le prestazioni a temperature elevate evidenzia ulteriormente il loro potenziale per applicazioni in ambienti difficili.

In secondo luogo, la banda proibita più ampia del GaN (3,4 eV contro 1,1 eV) ne consente l'uso a tensioni più elevate prima della rottura dielettrica. Di conseguenza, il GaN non solo è in grado di fornire più potenza, ma può farlo a tensioni più elevate mantenendo un’efficienza più elevata.

L'elevata mobilità degli elettroni consente inoltre di utilizzare il GaN a frequenze più elevate. Questo fattore rende il GaN fondamentale per le applicazioni di potenza RF che operano ben al di sopra della gamma GHz (qualcosa con cui il silicio ha difficoltà).

Tuttavia, il silicio è leggermente migliore del GaN in termini di conduttività termica, il che significa che i dispositivi GaN hanno requisiti termici maggiori rispetto ai dispositivi in ​​silicio. Di conseguenza, la mancanza di conduttività termica limita la capacità di restringere i dispositivi GaN quando funzionano ad alta potenza (perché sono necessarie grandi porzioni di materiale per dissipare il calore).

GaNIl tallone d'Achille di - Nessun tipo P

È fantastico avere semiconduttori in grado di funzionare ad alta potenza e ad alte frequenze, ma nonostante tutti i vantaggi offerti dal GaN, c'è un grosso inconveniente che ostacola gravemente la sua capacità di sostituire il silicio in molte applicazioni: la mancanza di tipi P.

Probabilmente, uno degli obiettivi principali di questi materiali appena scoperti è quello di aumentare notevolmente l’efficienza e supportare potenze e tensioni più elevate, e non c’è dubbio che gli attuali transistor GaN possano raggiungere questo obiettivo. Tuttavia, sebbene i singoli transistor GaN offrano alcune proprietà impressionanti, il fatto che tutti gli attuali dispositivi GaN commerciali siano di tipo N ne compromette la capacità di essere estremamente efficienti.

Per capire perché è così, dobbiamo guardare come funziona la logica NMOS e CMOS. La logica NMOS era una tecnologia molto popolare negli anni '70 e '80 grazie al suo processo di produzione e progettazione semplici. Utilizzando un singolo resistore collegato tra l'alimentazione e il drain di un transistor MOS di tipo N, il gate di quel transistor è in grado di controllare la tensione sul drain del transistor MOS, implementando di fatto un non-gate. Se combinato con altri transistor NMOS, è possibile creare tutti i componenti logici, inclusi AND, OR, XOR e latch.

Tuttavia, sebbene questa tecnica sia semplice, utilizza resistori per fornire energia, il che significa che molta energia viene sprecata sui resistori quando i transistor NMOS sono accesi. Per un singolo gate, questa perdita di potenza è minima, ma può aumentare quando si passa a piccole CPU a 8 bit, che possono surriscaldare il dispositivo e limitare il numero di dispositivi attivi su un singolo chip.