Cacat Fatal GaN

Saat dunia mencari peluang baru di bidang semikonduktor,Galium Nitrida (GaN)terus menonjol sebagai kandidat potensial untuk aplikasi daya dan RF di masa depan. Namun, meski memiliki banyak manfaat, GaN menghadapi tantangan yang signifikan: tidak adanya produk tipe P. Mengapa demikianGaNdipuji sebagai bahan semikonduktor utama berikutnya, mengapa kurangnya perangkat GaN tipe-P merupakan kelemahan kritis, dan apa dampaknya bagi desain masa depan?

Mengapa demikianGaNDipuji sebagai Bahan Semikonduktor Utama Berikutnya?

Dalam bidang elektronik, ada empat fakta yang bertahan sejak perangkat elektronik pertama kali memasuki pasar: perangkat tersebut harus dibuat sekecil mungkin, semurah mungkin, menawarkan daya sebesar mungkin, dan mengonsumsi daya sesedikit mungkin. Mengingat persyaratan ini sering kali bertentangan satu sama lain, upaya untuk menciptakan perangkat elektronik sempurna yang memenuhi keempat persyaratan tampak seperti lamunan. Namun, hal ini tidak menghentikan para insinyur untuk berupaya mencapainya.

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

Oleh karena itu, para peneliti terus mencari material baru yang berpotensi menggantikan material umum tersebut dan terus menawarkan perangkat yang lebih kecil dan lebih efisien.Galium Nitrida (GaN)adalah salah satu bahan yang mendapat perhatian besar, dan alasannya jelas jika dibandingkan dengan silikon.

Apa yang MembuatnyaGalium NitridaSangat Efisien?

Pertama, konduktivitas listrik GaN 1000 kali lebih tinggi dibandingkan silikon, sehingga memungkinkannya beroperasi pada arus yang lebih tinggi. ArtinyaGaNperangkat dapat bekerja pada tingkat daya yang jauh lebih tinggi tanpa menghasilkan panas yang berlebihan, sehingga perangkat dapat dibuat lebih kecil untuk keluaran daya tertentu.

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

Kedua, celah pita GaN yang lebih besar (3,4eV dibandingkan dengan 1,1eV) memungkinkannya digunakan pada tegangan lebih tinggi sebelum kerusakan dielektrik. Akibatnya,GaNtidak hanya menawarkan daya yang lebih besar tetapi juga dapat beroperasi pada voltase lebih tinggi dengan tetap mempertahankan efisiensi yang lebih tinggi.

Mobilitas elektron yang tinggi juga memungkinkanGaNuntuk digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi. Faktor ini menjadikan GaN penting untuk aplikasi daya RF yang beroperasi jauh di atas rentang GHz, yang sulit ditangani oleh silikon. Namun, dalam hal konduktivitas termal, silikon sedikit lebih unggulGaN, artinya perangkat GaN memiliki kebutuhan termal yang lebih besar dibandingkan perangkat silikon. Akibatnya, kurangnya konduktivitas termal membatasi kemampuan untuk melakukan miniaturisasiGaNperangkat untuk operasi berdaya tinggi, karena diperlukan volume material yang lebih besar untuk pembuangan panas.

Apa Cacat FatalnyaGaN—Kurangnya tipe P?

Memiliki semikonduktor yang mampu beroperasi pada daya tinggi dan frekuensi tinggi adalah hal yang sangat baik. Namun, terlepas dari semua kelebihannya, GaN memiliki satu kelemahan utama yang secara serius menghambat kemampuannya untuk menggantikan silikon dalam banyak aplikasi: kurangnya perangkat GaN tipe-P.

Salah satu tujuan utama dari bahan-bahan yang baru ditemukan ini adalah untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi dan mendukung daya dan tegangan yang lebih tinggi, dan tidak ada keraguan bahwa arusGaNtransistor dapat mencapai hal ini. Namun, meskipun masing-masing transistor GaN memang dapat memberikan beberapa karakteristik yang mengesankan, faktanya semuanya komersial saat iniGaNperangkat tipe-N mempengaruhi kemampuan efisiensinya.

Untuk memahami mengapa hal ini terjadi, kita perlu melihat cara kerja logika NMOS dan CMOS. Karena proses manufaktur dan desainnya yang sederhana, logika NMOS menjadi teknologi yang sangat populer pada tahun 1970an dan 1980an. Dengan menggunakan resistor tunggal yang dihubungkan antara catu daya dan saluran pembuangan transistor MOS tipe-N, gerbang transistor ini dapat mengontrol tegangan saluran transistor MOS, yang secara efektif menerapkan gerbang NOT. Ketika dikombinasikan dengan transistor NMOS lainnya, semua elemen logika, termasuk AND, OR, XOR, dan latch, dapat dibuat.

Namun, meskipun teknologi ini sederhana, ia menggunakan resistor untuk menyediakan daya. Ini berarti bahwa ketika transistor NMOS bekerja, sejumlah besar daya terbuang pada resistor. Untuk gerbang individual, kehilangan daya ini minimal, namun ketika ditingkatkan ke CPU kecil 8-bit, kehilangan daya ini dapat terakumulasi, memanaskan perangkat dan membatasi jumlah komponen aktif pada satu chip.

Bagaimana Teknologi NMOS Berkembang menjadi CMOS?

Di sisi lain, CMOS menggunakan transistor tipe P dan tipe N yang bekerja secara sinergis dan berlawanan. Terlepas dari status input gerbang logika CMOS, output gerbang tidak memungkinkan koneksi dari daya ke ground, sehingga secara signifikan mengurangi kehilangan daya (seperti ketika tipe-N berfungsi, tipe-P berisolasi, dan sebaliknya). Faktanya, satu-satunya kehilangan daya nyata di sirkuit CMOS terjadi selama transisi keadaan, di mana hubungan sementara antara daya dan ground dibentuk melalui pasangan yang saling melengkapi.

Kembali keGaNperangkat, karena saat ini hanya perangkat tipe-N yang ada, satu-satunya teknologi yang tersedia untukGaNadalah NMOS, yang pada dasarnya haus kekuasaan. Ini bukan masalah bagi amplifier RF, namun merupakan kelemahan utama bagi rangkaian logika.

Ketika konsumsi energi global terus meningkat dan dampak teknologi terhadap lingkungan semakin diperhatikan, upaya efisiensi energi dalam bidang elektronik menjadi semakin penting dibandingkan sebelumnya. Keterbatasan konsumsi daya pada teknologi NMOS menggarisbawahi kebutuhan mendesak akan terobosan material semikonduktor yang menawarkan kinerja tinggi dan efisiensi energi tinggi. Perkembangan tipe PGaNatau teknologi pelengkap alternatif dapat menandai tonggak penting dalam upaya ini, yang berpotensi merevolusi desain perangkat elektronik hemat energi.

Menariknya, sangat mungkin untuk memproduksi tipe PGaNperangkat, dan ini telah digunakan pada sumber cahaya LED biru, termasuk Blu-ray. Namun, meskipun perangkat ini cukup untuk kebutuhan optoelektronik, perangkat tersebut masih jauh dari ideal untuk logika digital dan aplikasi daya. Misalnya, satu-satunya dopan praktis untuk pembuatan tipe PGaNperangkat ini adalah magnesium, namun karena konsentrasi tinggi yang dibutuhkan, hidrogen dapat dengan mudah masuk ke dalam struktur selama anil, sehingga mempengaruhi kinerja material.

Oleh karena itu, tidak adanya tipe-PGaNperangkat mencegah para insinyur untuk sepenuhnya memanfaatkan potensi GaN sebagai semikonduktor.

Apa Artinya Bagi Insinyur Masa Depan?

Saat ini, banyak material yang sedang dipelajari, dengan kandidat utama lainnya adalah silikon karbida (SiC). MenyukaiGaN, dibandingkan dengan silikon, ia menawarkan tegangan operasi yang lebih tinggi, tegangan tembus yang lebih besar, dan konduktivitas yang lebih baik. Selain itu, konduktivitas termalnya yang tinggi memungkinkannya digunakan pada suhu ekstrem dan ukuran yang jauh lebih kecil sambil mengontrol daya yang lebih besar.

Namun, berbeda denganGaN, SiC tidak cocok untuk frekuensi tinggi, artinya kecil kemungkinannya digunakan untuk aplikasi RF. Karena itu,GaNtetap menjadi pilihan utama bagi para insinyur yang ingin membuat amplifier berdaya kecil. Salah satu solusi untuk masalah tipe-P adalah dengan menggabungkanGaNdengan transistor MOS silikon tipe-P. Meskipun hal ini memberikan kemampuan yang saling melengkapi, hal ini secara inheren membatasi frekuensi dan efisiensi GaN.

Seiring kemajuan teknologi, para peneliti pada akhirnya mungkin menemukan tipe PGaNperangkat atau perangkat pelengkap menggunakan teknologi berbeda yang dapat dikombinasikan dengan GaN. Namun, sampai hari itu tiba,GaNakan terus dibatasi oleh keterbatasan teknologi di zaman kita.

Sifat interdisipliner penelitian semikonduktor, yang melibatkan ilmu material, teknik elektro, dan fisika, menggarisbawahi upaya kolaboratif yang diperlukan untuk mengatasi keterbatasan teknologi saat ini.GaNteknologi. Potensi terobosan dalam pengembangan tipe PGaNatau menemukan bahan pelengkap yang sesuai tidak hanya dapat meningkatkan kinerja perangkat berbasis GaN tetapi juga berkontribusi pada lanskap teknologi semikonduktor yang lebih luas, membuka jalan bagi sistem elektronik yang lebih efisien, kompak, dan andal di masa depan.**

Kami di Semicorex memproduksi dan memasokGaNEpi-wafer dan jenis wafer lainnyaditerapkan dalam manufaktur semikonduktor, jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon: +86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com