Kelebihan dan Kekurangan Aplikasi Gallium Nitrida (GaN).

Saat dunia mencari peluang baru di bidang semikonduktor,galium nitridaterus menonjol sebagai kandidat potensial untuk aplikasi daya dan RF di masa depan. Namun, terlepas dari semua manfaat yang ditawarkannya, hal ini masih menghadapi tantangan besar; tidak ada produk tipe-P (tipe-P). Mengapa GaN disebut-sebut sebagai bahan semikonduktor utama berikutnya, mengapa kurangnya perangkat GaN tipe P menjadi kelemahan utama, dan apa dampaknya terhadap desain masa depan?

Dalam bidang elektronik, ada empat fakta yang bertahan sejak perangkat elektronik pertama kali memasuki pasar: perangkat tersebut harus berukuran sekecil mungkin, semurah mungkin, menyediakan daya sebanyak mungkin, dan mengonsumsi daya sesedikit mungkin. Mengingat bahwa persyaratan ini sering kali bertentangan satu sama lain, mencoba menciptakan perangkat elektronik sempurna yang dapat memenuhi keempat persyaratan ini hanyalah sebuah mimpi belaka, namun hal itu tidak menghentikan para insinyur untuk melakukan segala yang mereka bisa untuk mewujudkannya.

Dengan menggunakan keempat prinsip panduan ini, para insinyur telah berhasil menyelesaikan berbagai tugas yang tampaknya mustahil, dengan komputer yang menyusut dari perangkat seukuran ruangan menjadi chip yang lebih kecil dari sebutir beras, ponsel pintar yang memungkinkan komunikasi nirkabel dan akses ke Internet, dan sistem realitas virtual. yang sekarang dapat dipakai dan digunakan secara independen dari komputer host. Namun, seiring dengan semakin dekatnya batas fisik material yang umum digunakan seperti silikon, membuat perangkat menjadi lebih kecil dan menggunakan daya yang lebih sedikit kini menjadi mustahil.

Oleh karena itu, para peneliti terus mencari material baru yang mungkin dapat menggantikan material umum tersebut dan terus menyediakan perangkat lebih kecil yang bekerja lebih efisien. Gallium nitrida (GaN) adalah salah satu bahan yang menarik banyak perhatian, dibandingkan silikon, karena alasan yang jelas.

GaNefisiensi yang unggul

Pertama, GaN menghantarkan listrik 1.000 kali lebih efisien dibandingkan silikon, sehingga memungkinkannya beroperasi pada arus yang lebih tinggi. Artinya, perangkat GaN dapat bekerja dengan daya yang jauh lebih tinggi tanpa menghasilkan banyak panas, sehingga dapat dibuat lebih kecil dengan daya yang sama.

Meskipun konduktivitas termal GaN sedikit lebih rendah dibandingkan silikon, keunggulan manajemen termalnya membuka jalan baru bagi elektronik berdaya tinggi. Hal ini sangat penting untuk aplikasi yang memerlukan ruang terbatas dan solusi pendinginan perlu diminimalkan, seperti perangkat elektronik dirgantara dan otomotif, dan kemampuan perangkat GaN untuk mempertahankan kinerja pada suhu tinggi semakin menyoroti potensi perangkat tersebut untuk aplikasi di lingkungan yang keras.

Kedua, celah pita GaN yang lebih besar (3,4eV vs. 1,1eV) memungkinkan penggunaan pada tegangan lebih tinggi sebelum kerusakan dielektrik. Hasilnya, GaN tidak hanya mampu menyalurkan daya yang lebih besar, namun juga dapat melakukannya pada tegangan yang lebih tinggi dengan tetap mempertahankan efisiensi yang lebih tinggi.

Mobilitas elektron yang tinggi juga memungkinkan GaN digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi. Faktor ini menjadikan GaN penting untuk aplikasi daya RF yang beroperasi jauh di atas rentang GHz (sesuatu yang sulit dihadapi oleh silikon).

Namun, silikon sedikit lebih baik daripada GaN dalam hal konduktivitas termal, yang berarti perangkat GaN memiliki kebutuhan termal yang lebih besar daripada perangkat silikon. Akibatnya, kurangnya konduktivitas termal membatasi kemampuan perangkat GaN menyusut saat beroperasi pada daya tinggi (karena diperlukan material dalam jumlah besar untuk menghilangkan panas).

GaNTumit Achilles - Tanpa Tipe P

Sangat menyenangkan memiliki semikonduktor yang dapat beroperasi pada daya tinggi dan frekuensi tinggi, namun terlepas dari semua kelebihan yang ditawarkan GaN, ada satu kelemahan besar yang sangat menghambat kemampuannya untuk menggantikan silikon dalam banyak aplikasi: kurangnya tipe-P.

Bisa dibilang, salah satu tujuan utama dari material yang baru ditemukan ini adalah untuk secara dramatis meningkatkan efisiensi dan mendukung daya dan tegangan yang lebih tinggi, dan tidak ada keraguan bahwa transistor GaN saat ini dapat mencapai hal ini. Namun, meskipun masing-masing transistor GaN menawarkan beberapa sifat yang mengesankan, fakta bahwa semua perangkat GaN komersial saat ini adalah tipe-N mengurangi kemampuannya untuk menjadi sangat efisien.

Untuk memahami mengapa hal ini terjadi, kita perlu melihat cara kerja logika NMOS dan CMOS. Logika NMOS adalah teknologi yang sangat populer pada tahun 1970an dan 1980an karena proses pembuatan dan desainnya yang sederhana. Dengan menggunakan resistor tunggal yang dihubungkan antara catu daya dan saluran pembuangan transistor MOS tipe-N, gerbang transistor tersebut mampu mengontrol tegangan pada saluran pembuangan transistor MOS, sehingga secara efektif menerapkan non-gerbang. Ketika dikombinasikan dengan transistor NMOS lainnya, dimungkinkan untuk membuat semua komponen logika, termasuk AND, OR, XOR dan latch.

Namun, meskipun teknik ini sederhana, teknik ini menggunakan resistor untuk menghasilkan daya, yang berarti banyak daya yang terbuang pada resistor ketika transistor NMOS aktif. Untuk gerbang tunggal, kehilangan daya ini minimal, namun dapat meningkat bila ditingkatkan ke CPU kecil 8-bit, yang dapat memanaskan perangkat dan membatasi jumlah perangkat aktif dalam satu chip.