مزايا وعيوب تطبيقات نيتريد الغاليوم (GaN).

وبينما يبحث العالم عن فرص جديدة في مجال أشباه الموصلات،نيتريد الغاليوملا تزال تبرز كمرشح محتمل لتطبيقات الطاقة والترددات اللاسلكية المستقبلية. ومع ذلك، وعلى الرغم من كل المزايا التي تقدمها، فإنها لا تزال تواجه تحديًا كبيرًا؛ لا توجد منتجات من النوع P (النوع P). لماذا يتم وصف GaN على أنه مادة أشباه الموصلات الرئيسية التالية، ولماذا يعد عدم وجود أجهزة GaN من النوع P عيبًا كبيرًا، وماذا يعني هذا بالنسبة للتصميمات المستقبلية؟

في مجال الإلكترونيات، استمرت أربع حقائق منذ ظهور الأجهزة الإلكترونية الأولى في السوق: يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان، ورخيصة قدر الإمكان، وتوفر أكبر قدر ممكن من الطاقة، وتستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة. وبالنظر إلى أن هذه المتطلبات غالبًا ما تتعارض مع بعضها البعض، فإن محاولة إنشاء جهاز إلكتروني مثالي يمكنه تلبية هذه المتطلبات الأربعة يعد بمثابة حلم بعيد المنال، لكن هذا لم يمنع المهندسين من بذل كل ما في وسعهم لتحقيق ذلك.

باستخدام هذه المبادئ التوجيهية الأربعة، نجح المهندسون في إنجاز مجموعة متنوعة من المهام التي تبدو مستحيلة، مع تقلص أجهزة الكمبيوتر من أجهزة بحجم الغرفة إلى شرائح أصغر من حبة الأرز، والهواتف الذكية التي تسمح بالاتصال اللاسلكي والوصول إلى الإنترنت، وأنظمة الواقع الافتراضي والتي يمكن الآن ارتداؤها واستخدامها بشكل مستقل عن الكمبيوتر المضيف. ومع ذلك، مع اقتراب المهندسين من الحدود الفيزيائية للمواد شائعة الاستخدام مثل السيليكون، أصبح من المستحيل الآن جعل الأجهزة أصغر حجمًا واستخدام طاقة أقل.

ونتيجة لذلك، يبحث الباحثون باستمرار عن مواد جديدة قد تكون قادرة على استبدال هذه المواد الشائعة والاستمرار في توفير أجهزة أصغر تعمل بكفاءة أكبر. نيتريد الغاليوم (GaN) هي إحدى المواد التي جذبت الكثير من الاهتمام، مقارنة بالسيليكون، لأسباب واضحة.

الجاليومالكفاءة المتفوقة

أولاً، يقوم GaN بتوصيل الكهرباء بكفاءة 1000 مرة أكثر من السيليكون، مما يسمح له بالعمل عند تيارات أعلى. وهذا يعني أن أجهزة GaN يمكن أن تعمل بطاقة أعلى بكثير دون توليد الكثير من الحرارة، وبالتالي يمكن جعلها أصغر حجمًا بنفس الطاقة المعطاة.

على الرغم من أن الموصلية الحرارية لـ GaN أقل قليلاً من السيليكون، إلا أن مزايا إدارته الحرارية تفتح آفاقًا جديدة للإلكترونيات عالية الطاقة. وهذا مهم بشكل خاص للتطبيقات التي تكون فيها المساحة مرتفعة وتحتاج إلى التقليل من حلول التبريد، مثل الفضاء الجوي وإلكترونيات السيارات، كما أن قدرة أجهزة GaN على الحفاظ على الأداء في درجات حرارة عالية تسلط الضوء بشكل أكبر على إمكاناتها للتطبيقات البيئية القاسية.

ثانيًا، تسمح فجوة النطاق الأكبر لـ GaN (3.4eV مقابل 1.1eV) بالاستخدام عند الفولتية الأعلى قبل انهيار العزل الكهربائي. ونتيجة لذلك، فإن GaN ليس قادرًا على توفير المزيد من الطاقة فحسب، بل يمكنه القيام بذلك عند جهد كهربائي أعلى مع الحفاظ على كفاءة أعلى.

تسمح حركة الإلكترون العالية أيضًا باستخدام GaN عند الترددات الأعلى. هذا العامل يجعل GaN أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات طاقة التردد اللاسلكي التي تعمل أعلى بكثير من نطاق جيجاهرتز (وهو أمر يعاني منه السيليكون).

ومع ذلك، فإن السيليكون أفضل قليلاً من GaN من حيث التوصيل الحراري، مما يعني أن أجهزة GaN لديها متطلبات حرارية أكبر من أجهزة السيليكون. ونتيجة لذلك، فإن الافتقار إلى التوصيل الحراري يحد من القدرة على تقليص أجهزة GaN عند التشغيل بطاقة عالية (لأن هناك حاجة إلى قطع كبيرة من المواد لتبديد الحرارة).

الجاليومكعب أخيل - لا يوجد نوع P

من الرائع أن يكون لدينا أشباه موصلات يمكنها العمل بطاقة عالية وترددات عالية، ولكن على الرغم من جميع المزايا التي يوفرها GaN، هناك عيب رئيسي واحد يعيق بشدة قدرته على استبدال السيليكون في العديد من التطبيقات: وهو عدم وجود أنواع P.

يمكن القول إن أحد الأهداف الرئيسية لهذه المواد المكتشفة حديثًا هو زيادة الكفاءة بشكل كبير ودعم الطاقة والجهد العالي، وليس هناك شك في أن ترانزستورات GaN الحالية يمكنها تحقيق ذلك. ومع ذلك، في حين أن ترانزستورات GaN الفردية تقدم بعض الخصائص المثيرة للإعجاب، فإن حقيقة أن جميع أجهزة GaN التجارية الحالية من النوع N تقلل من قدرتها على أن تكون فعالة للغاية.

لفهم سبب حدوث ذلك، نحتاج إلى إلقاء نظرة على كيفية عمل منطق NMOS وCMOS. كان منطق NMOS تقنية شائعة جدًا في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين نظرًا لعملية التصنيع والتصميم البسيط. باستخدام مقاومة واحدة متصلة بين مصدر الطاقة واستنزاف ترانزستور MOS من النوع N، فإن بوابة هذا الترانزستور قادرة على التحكم في الجهد عند استنزاف ترانزستور MOS، مما يؤدي بشكل فعال إلى تنفيذ بوابة غير. عند دمجها مع ترانزستورات NMOS الأخرى، من الممكن إنشاء جميع المكونات المنطقية، بما في ذلك AND وOR وXOR والمزالج.

ومع ذلك، على الرغم من أن هذه التقنية بسيطة، إلا أنها تستخدم مقاومات لتوفير الطاقة، مما يعني هدر الكثير من الطاقة على المقاومات عند تشغيل ترانزستورات NMOS. بالنسبة لبوابة واحدة، يكون فقدان الطاقة هذا في حده الأدنى، ولكن يمكن أن يزيد عند التوسع إلى وحدات المعالجة المركزية (CPUs) الصغيرة ذات 8 بت، والتي يمكنها تسخين الجهاز والحد من عدد الأجهزة النشطة على شريحة واحدة.