Avantages et inconvénients des applications du nitrure de gallium (GaN)

Alors que le monde recherche de nouvelles opportunités dans le domaine des semi-conducteurs,nitrure de galliumcontinue de se démarquer en tant que candidat potentiel pour les futures applications de puissance et RF. Cependant, malgré tous les avantages qu’elle offre, elle reste confrontée à un défi majeur ; il n'y a pas de produits de type P (type P). Pourquoi le GaN est-il présenté comme le prochain matériau semi-conducteur majeur, pourquoi le manque de dispositifs GaN de type P est-il un inconvénient majeur et qu'est-ce que cela signifie pour les conceptions futures ?

En électronique, quatre faits ont persisté depuis l'arrivée des premiers appareils électroniques sur le marché : ils doivent être aussi petits que possible, aussi bon marché que possible, fournir autant d'énergie que possible et consommer le moins d'énergie possible. Étant donné que ces exigences se contredisent souvent, essayer de créer le dispositif électronique parfait capable de répondre à ces quatre exigences est un peu une chimère, mais cela n'a pas empêché les ingénieurs de faire tout ce qu'ils peuvent pour y parvenir.

En utilisant ces quatre principes directeurs, les ingénieurs ont réussi à accomplir une variété de tâches apparemment impossibles, avec des ordinateurs passant d'appareils de la taille d'une pièce à des puces plus petites qu'un grain de riz, des smartphones permettant la communication sans fil et l'accès à Internet, et des systèmes de réalité virtuelle. qui peut désormais être porté et utilisé indépendamment de l'ordinateur hôte. Cependant, à mesure que les ingénieurs approchent des limites physiques des matériaux couramment utilisés tels que le silicium, il devient désormais impossible de rendre les appareils plus petits et moins gourmands en énergie.

En conséquence, les chercheurs sont constamment à la recherche de nouveaux matériaux susceptibles de remplacer ces matériaux courants et de continuer à fournir des appareils plus petits qui fonctionnent plus efficacement. Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau qui a beaucoup retenu l'attention, comparé au silicium, pour des raisons évidentes.

GaNl'efficacité supérieure de

Premièrement, le GaN conduit l’électricité 1 000 fois plus efficacement que le silicium, ce qui lui permet de fonctionner à des courants plus élevés. Cela signifie que les dispositifs GaN peuvent fonctionner à une puissance nettement plus élevée sans générer beaucoup de chaleur, et peuvent donc être réduits pour la même puissance donnée.

Bien que la conductivité thermique du GaN soit légèrement inférieure à celle du silicium, ses avantages en matière de gestion thermique ouvrent de nouvelles voies pour l'électronique haute puissance. Ceci est particulièrement important pour les applications où l'espace est limité et où les solutions de refroidissement doivent être minimisées, telles que l'électronique aérospatiale et automobile, et la capacité des dispositifs GaN à maintenir leurs performances à des températures élevées souligne encore davantage leur potentiel pour les applications dans des environnements difficiles.

Deuxièmement, la bande interdite plus grande du GaN (3,4 eV contre 1,1 eV) permet une utilisation à des tensions plus élevées avant le claquage diélectrique. En conséquence, le GaN est non seulement capable de fournir plus de puissance, mais peut également le faire à des tensions plus élevées tout en conservant un rendement plus élevé.

La mobilité électronique élevée permet également d’utiliser le GaN à des fréquences plus élevées. Ce facteur rend le GaN essentiel pour les applications de puissance RF qui fonctionnent bien au-dessus de la plage des GHz (ce avec quoi le silicium a du mal).

Cependant, le silicium est légèrement meilleur que le GaN en termes de conductivité thermique, ce qui signifie que les dispositifs GaN ont des exigences thermiques plus élevées que les dispositifs au silicium. En conséquence, le manque de conductivité thermique limite la capacité de rétrécir les dispositifs GaN lorsqu’ils fonctionnent à haute puissance (car de gros morceaux de matériau sont nécessaires pour dissiper la chaleur).

GaNLe talon d'Achille de - Pas de type P

C'est formidable de disposer de semi-conducteurs capables de fonctionner à haute puissance et à hautes fréquences, mais malgré tous les avantages qu'offre le GaN, il existe un inconvénient majeur qui entrave gravement sa capacité à remplacer le silicium dans de nombreuses applications : le manque de types P.

On peut soutenir que l’un des principaux objectifs de ces matériaux nouvellement découverts est d’augmenter considérablement l’efficacité et de prendre en charge une puissance et une tension plus élevées, et il ne fait aucun doute que les transistors GaN actuels peuvent y parvenir. Cependant, même si les transistors GaN individuels offrent des propriétés impressionnantes, le fait que tous les dispositifs GaN commerciaux actuels soient de type N compromet leur capacité à être extrêmement efficaces.

Pour comprendre pourquoi c’est le cas, nous devons examiner le fonctionnement de la logique NMOS et CMOS. La logique NMOS était une technologie très populaire dans les années 1970 et 1980 en raison de la simplicité de son processus de fabrication et de sa conception. En utilisant une seule résistance connectée entre l'alimentation et le drain d'un transistor MOS de type N, la grille de ce transistor est capable de contrôler la tension au drain du transistor MOS, mettant ainsi en œuvre efficacement une non-grille. Lorsqu'il est combiné avec d'autres transistors NMOS, il est possible de créer tous les composants logiques, y compris AND, OR, XOR et les verrous.

Cependant, bien que cette technique soit simple, elle utilise des résistances pour fournir de l'énergie, ce qui signifie qu'une grande quantité d'énergie est gaspillée sur les résistances lorsque les transistors NMOS sont passants. Pour une seule porte, cette perte de puissance est minime, mais peut augmenter lors de la mise à l'échelle vers de petits processeurs 8 bits, ce qui peut surchauffer l'appareil et limiter le nombre de périphériques actifs sur une seule puce.