Il difetto fatale del GaN

Mentre il mondo cerca nuove opportunità nel campo dei semiconduttori,Nitruro di gallio (GaN)continua a distinguersi come potenziale candidato per future applicazioni di potenza e RF. Tuttavia, nonostante i suoi numerosi vantaggi, il GaN deve affrontare una sfida significativa: l’assenza di prodotti di tipo P. Perché èGaNacclamato come il prossimo importante materiale semiconduttore, perché la mancanza di dispositivi GaN di tipo P rappresenta uno svantaggio critico e cosa significa questo per i progetti futuri?

Perché èGaNSalutato come il prossimo importante materiale per semiconduttori?

Nel campo dell’elettronica, quattro fatti sono persistiti da quando i primi dispositivi elettronici sono arrivati ​​sul mercato: devono essere realizzati il ​​più piccolo possibile, il più economico possibile, offrire quanta più energia possibile e consumare meno energia possibile. Dato che questi requisiti sono spesso in conflitto tra loro, tentare di creare il dispositivo elettronico perfetto che soddisfi tutti e quattro i requisiti sembra un sogno ad occhi aperti. Tuttavia, ciò non ha impedito agli ingegneri di impegnarsi per raggiungerlo.

Utilizzando questi quattro principi guida, gli ingegneri sono riusciti a realizzare una serie di compiti apparentemente impossibili. I computer si sono ridotti da macchine grandi come una stanza a chip più piccoli di un chicco di riso, gli smartphone ora consentono la comunicazione wireless e l’accesso a Internet e i sistemi di realtà virtuale possono ora essere indossati e utilizzati indipendentemente da un host. Tuttavia, man mano che gli ingegneri si avvicinano ai limiti fisici dei materiali comunemente utilizzati come il silicio, rendere i dispositivi più piccoli e consumare meno energia è diventato sempre più impegnativo.

Di conseguenza, i ricercatori sono continuamente alla ricerca di nuovi materiali che potrebbero potenzialmente sostituire tali materiali comuni e continuare a offrire dispositivi più piccoli ed efficienti.Nitruro di gallio (GaN)è uno di questi materiali che ha attirato molta attenzione e le ragioni sono evidenti se paragonato al silicio.

Ciò che rendeNitruro di gallioEccezionalmente efficiente?

Innanzitutto, la conduttività elettrica del GaN è 1000 volte superiore a quella del silicio, consentendogli di funzionare a correnti più elevate. Questo significaGaNi dispositivi possono funzionare a livelli di potenza significativamente più elevati senza generare calore eccessivo, consentendo loro di essere ridotti per una determinata potenza.

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

In secondo luogo, il gap di banda più ampio del GaN (3,4 eV rispetto a 1,1 eV) ne consente l’utilizzo a tensioni più elevate prima della rottura dielettrica. Di conseguenza,GaNnon solo offre maggiore potenza ma può anche funzionare a tensioni più elevate mantenendo un'efficienza più elevata.

Lo consente anche un'elevata mobilità degli elettroniGaNda utilizzare a frequenze più alte. Questo fattore rende il GaN essenziale per le applicazioni di potenza RF che operano ben al di sopra della gamma GHz, che il silicio fatica a gestire. Tuttavia, in termini di conduttività termica, il silicio supera leggermente le prestazioniGaN, il che significa che i dispositivi GaN hanno requisiti termici maggiori rispetto ai dispositivi al silicio. Di conseguenza, la mancanza di conduttività termica limita la capacità di miniaturizzazioneGaNdispositivi per operazioni ad alta potenza, poiché sono necessari volumi di materiale maggiori per la dissipazione del calore.

Qual è il difetto fatale diGaN—Mancanza di tipo P?

Avere un semiconduttore in grado di funzionare ad alta potenza e alte frequenze è eccellente. Tuttavia, nonostante tutti i suoi vantaggi, il GaN presenta un grosso difetto che ostacola seriamente la sua capacità di sostituire il silicio in molte applicazioni: la mancanza di dispositivi GaN di tipo P.

Uno degli scopi principali di questi materiali appena scoperti è quello di migliorare significativamente l'efficienza e supportare potenze e tensioni più elevate, e non c'è dubbio che la correnteGaNi transistor possono raggiungere questo obiettivo. Tuttavia, sebbene i singoli transistor GaN possano effettivamente fornire alcune caratteristiche impressionanti, il fatto è che tutti gli attuali dispositivi commercialiGaNi dispositivi sono di tipo N influiscono sulla loro capacità di efficienza.

Per capire perché è così, dobbiamo guardare come funzionano le logiche NMOS e CMOS. Grazie alla semplicità del processo di produzione e della progettazione, la logica NMOS era una tecnologia molto popolare negli anni '70 e '80. Utilizzando un singolo resistore collegato tra l'alimentazione e il drain di un transistor MOS di tipo N, il gate di questo transistor può controllare la tensione di drain del transistor MOS, implementando di fatto una gate NOT. Se combinato con altri transistor NMOS, è possibile creare tutti gli elementi logici, inclusi AND, OR, XOR e latch.

Tuttavia, sebbene questa tecnologia sia semplice, utilizza resistori per fornire energia. Ciò significa che quando i transistor NMOS conducono, una quantità significativa di energia viene sprecata sui resistori. Per un singolo gate, questa perdita di potenza è minima, ma se scalata fino a una piccola CPU a 8 bit, questa perdita di potenza può accumularsi, riscaldando il dispositivo e limitando il numero di componenti attivi su un singolo chip.

Come si è evoluta la tecnologia NMOS in CMOS?

D'altra parte, CMOS utilizza transistor di tipo P e di tipo N che funzionano sinergicamente in modi opposti. Indipendentemente dallo stato di ingresso della porta logica CMOS, l’uscita della porta non consente una connessione da alimentazione a terra, riducendo significativamente la perdita di potenza (proprio come quando il tipo N conduce, il tipo P isola e viceversa). Infatti, l'unica vera perdita di potenza nei circuiti CMOS avviene durante le transizioni di stato, dove si forma una connessione transitoria tra potenza e massa attraverso coppie complementari.

Ritornando aGaNdispositivi, poiché attualmente esistono solo dispositivi di tipo N, l'unica tecnologia disponibile perGaNè NMOS, che è intrinsecamente assetato di potere. Questo non è un problema per gli amplificatori RF, ma è un grave inconveniente per i circuiti logici.

Poiché il consumo globale di energia continua ad aumentare e l’impatto ambientale della tecnologia viene attentamente esaminato, il perseguimento dell’efficienza energetica nel settore elettronico è diventato più importante che mai. I limiti del consumo energetico della tecnologia NMOS sottolineano l’urgente necessità di innovazioni nei materiali semiconduttori per offrire prestazioni elevate ed elevata efficienza energetica. Lo sviluppo del tipo PGaNoppure tecnologie complementari alternative potrebbero segnare una pietra miliare significativa in questa ricerca, rivoluzionando potenzialmente la progettazione di dispositivi elettronici efficienti dal punto di vista energetico.

È interessante notare che è del tutto possibile produrre il tipo PGaNdispositivi e questi sono stati utilizzati nelle sorgenti luminose a LED blu, inclusi i Blu-ray. Tuttavia, sebbene questi dispositivi siano sufficienti per i requisiti optoelettronici, sono lungi dall’essere ideali per le applicazioni di logica digitale e di potenza. Ad esempio, l'unico drogante pratico per la produzione di tipo PGaNdispositivi è magnesio, ma a causa dell’elevata concentrazione richiesta, l’idrogeno può facilmente entrare nella struttura durante la ricottura, influenzando le prestazioni del materiale.

Pertanto, l'assenza di tipo PGaNdispositivi impedisce agli ingegneri di sfruttare appieno il potenziale del GaN come semiconduttore.

Cosa significa questo per i futuri ingegneri?

Attualmente si stanno studiando molti materiali, tra cui un altro importante candidato è il carburo di silicio (SiC). ComeGaN, rispetto al silicio, offre una tensione operativa più elevata, una maggiore tensione di rottura e una migliore conduttività. Inoltre, la sua elevata conduttività termica ne consente l'utilizzo a temperature estreme e dimensioni significativamente più piccole controllando allo stesso tempo una maggiore potenza.

Tuttavia, a differenzaGaN, il SiC non è adatto alle alte frequenze, il che significa che è improbabile che venga utilizzato per applicazioni RF. Perciò,GaNrimane la scelta preferita per gli ingegneri che desiderano creare piccoli amplificatori di potenza. Una soluzione al problema del tipo P è combinareGaNcon transistor MOS al silicio di tipo P. Sebbene ciò fornisca funzionalità complementari, limita intrinsecamente la frequenza e l’efficienza del GaN.

Con l’avanzare della tecnologia, i ricercatori potrebbero finalmente trovare il tipo PGaNdispositivi o dispositivi complementari che utilizzano diverse tecnologie che possono essere combinati con GaN. Tuttavia, finché non arriva quel giorno,GaNcontinuerà a essere vincolato dai limiti tecnologici del nostro tempo.

La natura interdisciplinare della ricerca sui semiconduttori, che coinvolge la scienza dei materiali, l’ingegneria elettrica e la fisica, sottolinea gli sforzi collaborativi necessari per superare gli attuali limiti diGaNtecnologia. Potenziali scoperte nello sviluppo del tipo PGaNoppure trovare materiali complementari adeguati potrebbe non solo migliorare le prestazioni dei dispositivi basati su GaN, ma anche contribuire al più ampio panorama della tecnologia dei semiconduttori, aprendo la strada a sistemi elettronici più efficienti, compatti e affidabili in futuro.**

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