Ventajas y desventajas de las aplicaciones de nitruro de galio (GaN)

Mientras el mundo busca nuevas oportunidades en semiconductores,nitruro de galiocontinúa destacándose como un candidato potencial para futuras aplicaciones de energía y RF. Sin embargo, a pesar de todos los beneficios que ofrece, todavía enfrenta un gran desafío; no existen productos tipo P (tipo P). ¿Por qué se promociona al GaN como el próximo material semiconductor importante, por qué la falta de dispositivos GaN tipo P es un gran inconveniente y qué significa esto para los diseños futuros?

En electrónica, cuatro hechos han persistido desde que los primeros dispositivos electrónicos llegaron al mercado: deben ser lo más pequeños posible, lo más baratos posible, proporcionar tanta energía como sea posible y consumir la menor cantidad de energía posible. Teniendo en cuenta que estos requisitos a menudo se contradicen entre sí, intentar crear el dispositivo electrónico perfecto que pueda cumplir estos cuatro requisitos es una quimera, pero eso no ha impedido que los ingenieros hagan todo lo posible para que esto suceda.

Utilizando estos cuatro principios rectores, los ingenieros han logrado lograr una variedad de tareas aparentemente imposibles, con computadoras que pasan de ser dispositivos del tamaño de una habitación a chips más pequeños que un grano de arroz, teléfonos inteligentes que permiten la comunicación inalámbrica y el acceso a Internet, y sistemas de realidad virtual. que ahora se puede llevar y utilizar independientemente del ordenador anfitrión. Sin embargo, a medida que los ingenieros se acercan a los límites físicos de los materiales de uso común, como el silicio, hacer dispositivos más pequeños y que utilicen menos energía se vuelve imposible.

Como resultado, los investigadores buscan constantemente nuevos materiales que puedan reemplazar materiales tan comunes y continuar proporcionando dispositivos más pequeños que funcionen de manera más eficiente. El nitruro de galio (GaN) es un material que ha atraído mucha atención, en comparación con el silicio, por razones obvias.

GaNLa eficiencia superior

En primer lugar, el GaN conduce la electricidad 1.000 veces más eficientemente que el silicio, lo que le permite operar a corrientes más altas. Esto significa que los dispositivos de GaN pueden funcionar a una potencia significativamente mayor sin generar mucho calor y, por lo tanto, pueden hacerse más pequeños para la misma potencia dada.

Aunque la conductividad térmica del GaN es ligeramente menor que la del silicio, sus ventajas de gestión térmica abren nuevas vías para la electrónica de alta potencia. Esto es especialmente importante para aplicaciones donde el espacio es escaso y es necesario minimizar las soluciones de refrigeración, como la electrónica aeroespacial y automotriz, y la capacidad de los dispositivos GaN para mantener el rendimiento a altas temperaturas resalta aún más su potencial para aplicaciones en entornos hostiles.

En segundo lugar, la banda prohibida más grande de GaN (3,4 eV frente a 1,1 eV) permite su uso a voltajes más altos antes de la ruptura dieléctrica. Como resultado, GaN no sólo es capaz de entregar más energía, sino que también puede hacerlo a voltajes más altos manteniendo una mayor eficiencia.

La alta movilidad de los electrones también permite utilizar GaN a frecuencias más altas. Este factor hace que el GaN sea fundamental para aplicaciones de potencia de RF que funcionan muy por encima del rango de GHz (algo con lo que el silicio tiene dificultades).

Sin embargo, el silicio es ligeramente mejor que el GaN en términos de conductividad térmica, lo que significa que los dispositivos de GaN tienen mayores requisitos térmicos que los dispositivos de silicio. Como resultado, la falta de conductividad térmica limita la capacidad de encoger los dispositivos de GaN cuando funcionan a alta potencia (porque se necesitan grandes trozos de material para disipar el calor).

GaNTalón de Aquiles de - Sin tipo P

Es fantástico tener semiconductores que puedan funcionar a alta potencia y altas frecuencias, pero a pesar de todas las ventajas que ofrece GaN, hay un inconveniente importante que obstaculiza gravemente su capacidad para reemplazar al silicio en muchas aplicaciones: la falta de tipos P.

Podría decirse que uno de los principales objetivos de estos materiales recién descubiertos es aumentar drásticamente la eficiencia y admitir una mayor potencia y voltaje, y no hay duda de que los transistores GaN actuales pueden lograrlo. Sin embargo, si bien los transistores GaN individuales ofrecen algunas propiedades impresionantes, el hecho de que todos los dispositivos GaN comerciales actuales sean de tipo N compromete su capacidad de ser extremadamente eficientes.

Para entender por qué es así, debemos observar cómo funciona la lógica NMOS y CMOS. La lógica NMOS fue una tecnología muy popular en las décadas de 1970 y 1980 debido a su sencillo proceso de fabricación y diseño. Al utilizar una única resistencia conectada entre la fuente de alimentación y el drenaje de un transistor MOS tipo N, la puerta de ese transistor puede controlar el voltaje en el drenaje del transistor MOS, implementando efectivamente una no puerta. Cuando se combina con otros transistores NMOS, es posible crear todos los componentes lógicos, incluidos AND, OR, XOR y pestillos.

Sin embargo, aunque esta técnica es simple, utiliza resistencias para proporcionar energía, lo que significa que se desperdicia mucha energía en las resistencias cuando los transistores NMOS están encendidos. Para una sola puerta, esta pérdida de energía es mínima, pero puede aumentar al escalar a CPU pequeñas de 8 bits, lo que puede calentar el dispositivo y limitar la cantidad de dispositivos activos en un solo chip.