El defecto fatal del GaN

Mientras el mundo busca nuevas oportunidades en el campo de los semiconductores,Nitruro de galio (GaN)continúa destacándose como un candidato potencial para futuras aplicaciones de energía y RF. Sin embargo, a pesar de sus numerosos beneficios, el GaN se enfrenta a un desafío importante: la ausencia de productos de tipo P. ¿Por qué esGaNAclamado como el próximo material semiconductor importante, ¿por qué la falta de dispositivos GaN tipo P es un inconveniente crítico y qué significa esto para los diseños futuros?

¿Por qué esGaN¿Aclamado como el próximo gran material semiconductor?

En el ámbito de la electrónica, cuatro hechos han persistido desde que los primeros dispositivos electrónicos llegaron al mercado: deben ser lo más pequeños posible, lo más baratos posible, ofrecer la mayor cantidad de energía posible y consumir la menor cantidad de energía posible. Dado que estos requisitos a menudo entran en conflicto entre sí, intentar crear el dispositivo electrónico perfecto que cumpla con los cuatro requisitos parece una ensoñación. Sin embargo, esto no ha impedido que los ingenieros se esfuercen por conseguirlo.

Utilizando estos cuatro principios rectores, los ingenieros han logrado realizar una variedad de tareas aparentemente imposibles. Las computadoras se han reducido de máquinas del tamaño de una habitación a chips más pequeños que un grano de arroz, los teléfonos inteligentes ahora permiten comunicación inalámbrica y acceso a Internet, y los sistemas de realidad virtual ahora se pueden usar y usar independientemente de un host. Sin embargo, a medida que los ingenieros se acercan a los límites físicos de los materiales comúnmente utilizados como el silicio, hacer dispositivos más pequeños y consumir menos energía se ha vuelto cada vez más desafiante.

En consecuencia, los investigadores buscan continuamente nuevos materiales que potencialmente puedan reemplazar materiales tan comunes y continuar ofreciendo dispositivos más pequeños y eficientes.Nitruro de galio (GaN)es uno de esos materiales que ha atraído mucha atención y las razones son evidentes en comparación con el silicio.

¿Qué hace?Nitruro de galio¿Excepcionalmente eficiente?

En primer lugar, la conductividad eléctrica del GaN es 1.000 veces mayor que la del silicio, lo que le permite funcionar con corrientes más altas. Esto significaGaNLos dispositivos pueden funcionar a niveles de potencia significativamente más altos sin generar calor excesivo, lo que permite hacerlos más pequeños para una potencia de salida determinada.

A pesar de la conductividad térmica ligeramente menor del GaN en comparación con el silicio, sus ventajas en la gestión del calor allanan el camino para nuevas vías en la electrónica de alta potencia. Esto es particularmente crucial para aplicaciones donde el espacio es escaso y es necesario minimizar las soluciones de refrigeración, como en la electrónica aeroespacial y automotriz.GaNLa capacidad de los dispositivos para mantener el rendimiento a altas temperaturas resalta aún más su potencial en aplicaciones en entornos hostiles.

En segundo lugar, la banda prohibida más grande de GaN (3,4 eV en comparación con 1,1 eV) permite que se utilice a voltajes más altos antes de la ruptura dieléctrica. Como consecuencia,GaNno sólo ofrece mayor potencia sino que también puede funcionar a voltajes más altos manteniendo una mayor eficiencia.

La alta movilidad de los electrones también permiteGaNpara ser utilizado en frecuencias más altas. Este factor hace que el GaN sea esencial para aplicaciones de potencia de RF que funcionan muy por encima del rango de GHz, algo que el silicio tiene dificultades para manejar. Sin embargo, en términos de conductividad térmica, el silicio supera ligeramenteGaN, lo que significa que los dispositivos de GaN tienen mayores requisitos térmicos en comparación con los dispositivos de silicio. Como resultado, la falta de conductividad térmica limita la capacidad de miniaturizarGaNDispositivos para operaciones de alta potencia, ya que se necesitan mayores volúmenes de material para la disipación del calor.

¿Cuál es el defecto fatal deGaN—¿Falta de tipo P?

Tener un semiconductor capaz de operar a alta potencia y altas frecuencias es excelente. Sin embargo, a pesar de todas sus ventajas, GaN tiene un defecto importante que obstaculiza seriamente su capacidad para reemplazar al silicio en muchas aplicaciones: la falta de dispositivos GaN tipo P.

Uno de los propósitos principales de estos materiales recién descubiertos es mejorar significativamente la eficiencia y soportar mayor potencia y voltaje, y no hay duda de que la corrienteGaNLos transistores pueden lograr esto. Sin embargo, aunque los transistores GaN individuales pueden proporcionar algunas características impresionantes, el hecho de que todos los transistores comerciales actualesGaNLos dispositivos son de tipo N afectan sus capacidades de eficiencia.

Para entender por qué es así, debemos observar cómo funciona la lógica NMOS y CMOS. Debido a su sencillo proceso de fabricación y diseño, la lógica NMOS fue una tecnología muy popular en las décadas de 1970 y 1980. Al utilizar una única resistencia conectada entre la fuente de alimentación y el drenaje de un transistor MOS tipo N, la puerta de este transistor puede controlar el voltaje de drenaje del transistor MOS, implementando efectivamente una puerta NOT. Cuando se combina con otros transistores NMOS, se pueden crear todos los elementos lógicos, incluidos AND, OR, XOR y pestillos.

Sin embargo, si bien esta tecnología es simple, utiliza resistencias para proporcionar energía. Esto significa que cuando los transistores NMOS conducen, se desperdicia una cantidad significativa de energía en las resistencias. Para una puerta individual, esta pérdida de energía es mínima, pero cuando se amplía a una pequeña CPU de 8 bits, esta pérdida de energía puede acumularse, calentando el dispositivo y limitando la cantidad de componentes activos en un solo chip.

¿Cómo evolucionó la tecnología NMOS a CMOS?

Por otro lado, CMOS utiliza transistores tipo P y tipo N que funcionan sinérgicamente de manera opuesta. Independientemente del estado de entrada de la puerta lógica CMOS, la salida de la puerta no permite una conexión de alimentación a tierra, lo que reduce significativamente la pérdida de energía (al igual que cuando el tipo N conduce, el tipo P aísla y viceversa). De hecho, la única pérdida de potencia real en los circuitos CMOS se produce durante las transiciones de estado, donde se forma una conexión transitoria entre la potencia y la tierra a través de pares complementarios.

Regresando aGaNdispositivos, ya que actualmente solo existen dispositivos tipo N, la única tecnología disponible paraGaNes NMOS, que es inherentemente consumidor de energía. Esto no es un problema para los amplificadores de RF, pero es un inconveniente importante para los circuitos lógicos.

A medida que el consumo mundial de energía sigue aumentando y el impacto ambiental de la tecnología se examina de cerca, la búsqueda de la eficiencia energética en la electrónica se ha vuelto más crítica que nunca. Las limitaciones del consumo de energía de la tecnología NMOS subrayan la urgente necesidad de avances en materiales semiconductores para ofrecer alto rendimiento y alta eficiencia energética. El desarrollo del tipo P.GaNo tecnologías complementarias alternativas podrían marcar un hito importante en esta búsqueda, revolucionando potencialmente el diseño de dispositivos electrónicos energéticamente eficientes.

Curiosamente, es totalmente posible fabricar motores tipo P.GaNdispositivos, y estos se han utilizado en fuentes de luz LED azules, incluido Blu-ray. Sin embargo, si bien estos dispositivos son suficientes para los requisitos optoelectrónicos, están lejos de ser ideales para aplicaciones de energía y lógica digital. Por ejemplo, el único dopante práctico para la fabricación de tipo P.GaNLos dispositivos es magnesio, pero debido a la alta concentración requerida, el hidrógeno puede ingresar fácilmente a la estructura durante el recocido, afectando el rendimiento del material.

Por lo tanto, la ausencia de tipo PGaNLos dispositivos impiden que los ingenieros aprovechen plenamente el potencial del GaN como semiconductor.

¿Qué significa esto para los futuros ingenieros?

Actualmente se están estudiando muchos materiales, siendo otro candidato importante el carburo de silicio (SiC). ComoGaNEn comparación con el silicio, ofrece un voltaje de funcionamiento más alto, un voltaje de ruptura mayor y una mejor conductividad. Además, su alta conductividad térmica permite utilizarlo a temperaturas extremas y tamaños significativamente más pequeños controlando una mayor potencia.

Sin embargo, a diferencia deGaN, El SiC no es adecuado para altas frecuencias, lo que significa que es poco probable que se utilice para aplicaciones de RF. Por lo tanto,GaNsigue siendo la opción preferida para los ingenieros que buscan crear pequeños amplificadores de potencia. Una solución al problema del tipo P es combinarGaNcon transistores MOS de silicio tipo P. Si bien esto proporciona capacidades complementarias, inherentemente limita la frecuencia y eficiencia de GaN.

A medida que avanza la tecnología, los investigadores pueden llegar a encontrar el tipo PGaNdispositivos o dispositivos complementarios que utilicen diferentes tecnologías combinables con GaN. Sin embargo, hasta que llegue ese día,GaNseguirá estando limitado por las limitaciones tecnológicas de nuestro tiempo.

La naturaleza interdisciplinaria de la investigación de semiconductores, que involucra ciencia de materiales, ingeniería eléctrica y física, subraya los esfuerzos de colaboración necesarios para superar las limitaciones actuales deGaNtecnología. Posibles avances en el desarrollo del tipo PGaNo encontrar materiales complementarios adecuados no solo podría mejorar el rendimiento de los dispositivos basados ​​en GaN, sino también contribuir al panorama más amplio de la tecnología de semiconductores, allanando el camino para sistemas electrónicos más eficientes, compactos y confiables en el futuro.**

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