الخلل القاتل في GaN

بينما يبحث العالم عن فرص جديدة في مجال أشباه الموصلات،نيتريد الغاليوم (GaN)لا تزال تبرز كمرشح محتمل لتطبيقات الطاقة والترددات اللاسلكية المستقبلية. ومع ذلك، على الرغم من فوائده العديدة، يواجه GaN تحديًا كبيرًا: غياب منتجات النوع P. لماذاالجاليومتم الترحيب بها باعتبارها مادة أشباه الموصلات الرئيسية التالية، لماذا يعد عدم وجود أجهزة GaN من النوع P عيبًا خطيرًا، وماذا يعني هذا بالنسبة للتصميمات المستقبلية؟

لماذاالجاليومهل تم الترحيب بها باعتبارها مادة أشباه الموصلات الرئيسية التالية؟

في عالم الإلكترونيات، استمرت أربع حقائق منذ ظهور الأجهزة الإلكترونية الأولى في السوق: يجب أن تكون هذه الأجهزة صغيرة قدر الإمكان، ورخيصة قدر الإمكان، وتوفر أكبر قدر ممكن من الطاقة، وتستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة. ونظرًا لأن هذه المتطلبات غالبًا ما تتعارض مع بعضها البعض، فإن محاولة إنشاء جهاز إلكتروني مثالي يلبي جميع المتطلبات الأربعة تبدو وكأنها حلم يقظة. لكن هذا لم يمنع المهندسين من السعي لتحقيق ذلك.

باستخدام هذه المبادئ التوجيهية الأربعة، تمكن المهندسون من إنجاز مجموعة متنوعة من المهام التي تبدو مستحيلة. فقد تقلصت أجهزة الكمبيوتر من آلات بحجم الغرفة إلى شرائح أصغر من حبة الأرز، وأصبحت الهواتف الذكية الآن قادرة على تمكين الاتصالات اللاسلكية والوصول إلى الإنترنت، وأصبح من الممكن الآن ارتداء أنظمة الواقع الافتراضي واستخدامها بشكل مستقل عن المضيف. ومع ذلك، مع اقتراب المهندسين من الحدود المادية للمواد شائعة الاستخدام مثل السيليكون، أصبح جعل الأجهزة أصغر حجمًا وتستهلك طاقة أقل أمرًا صعبًا بشكل متزايد.

وبالتالي، يبحث الباحثون باستمرار عن مواد جديدة يمكن أن تحل محل هذه المواد الشائعة ويستمرون في تقديم أجهزة أصغر حجمًا وأكثر كفاءة.نيتريد الغاليوم (GaN)وهي إحدى هذه المواد التي حظيت باهتمام كبير، والأسباب واضحة عند مقارنتها بالسيليكون.

ما الذي يجعلنيتريد الغاليومكفاءة استثنائية؟

أولاً، الموصلية الكهربائية لـ GaN أعلى 1000 مرة من تلك الخاصة بالسيليكون، مما يمكنها من العمل عند تيارات أعلى. هذا يعنىالجاليوميمكن تشغيل الأجهزة بمستويات طاقة أعلى بكثير دون توليد حرارة زائدة، مما يسمح بتصغيرها لمخرج طاقة معين.

على الرغم من الموصلية الحرارية المنخفضة قليلاً لـ GaN مقارنةً بالسيليكون، فإن مزايا إدارة الحرارة التي يتمتع بها تمهد الطريق لطرق جديدة في مجال الإلكترونيات عالية الطاقة. يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص للتطبيقات التي تكون فيها المساحة كبيرة وتحتاج إلى تقليل حلول التبريد، كما هو الحال في مجال إلكترونيات الطيران والسيارات.الجاليومإن قدرة الأجهزة على الحفاظ على الأداء في درجات حرارة عالية تسلط الضوء بشكل أكبر على إمكاناتها في تطبيقات البيئات القاسية.

ثانيًا، تسمح فجوة النطاق الأكبر لـ GaN (3.4eV مقارنة بـ 1.1eV) باستخدامه عند الفولتية الأعلى قبل انهيار العزل الكهربائي. بالتالي،الجاليوملا يوفر طاقة أكبر فحسب، بل يمكنه أيضًا العمل بجهد كهربائي أعلى مع الحفاظ على كفاءة أعلى.

يسمح أيضًا بحركة الإلكترون العاليةالجاليوملاستخدامها في الترددات العالية. هذا العامل يجعل GaN ضروريًا لتطبيقات طاقة التردد اللاسلكي التي تعمل أعلى بكثير من نطاق جيجاهرتز، والذي يواجه السيليكون صعوبة في التعامل معه. ومع ذلك، من حيث التوصيل الحراري، يتفوق السيليكون قليلاالجاليوممما يعني أن أجهزة GaN لديها متطلبات حرارية أكبر مقارنة بأجهزة السيليكون. ونتيجة لذلك، فإن الافتقار إلى التوصيل الحراري يحد من القدرة على التصغيرالجاليومأجهزة للعمليات عالية الطاقة، حيث أن هناك حاجة إلى كميات أكبر من المواد لتبديد الحرارة.

ما هو العيب القاتل فيالجاليوم- عدم وجود نوع P؟

Having a semiconductor capable of operating at high power and high frequencies is excellent. However, despite all its advantages, GaN has one major flaw that seriously hinders its ability to replace silicon in many applications: the lack of P-type GaN devices.

أحد الأغراض الرئيسية لهذه المواد المكتشفة حديثاً هو تحسين الكفاءة بشكل كبير ودعم الطاقة والجهد العالي، ولا شك أن التيارالجاليوميمكن للترانزستورات تحقيق ذلك. ومع ذلك، على الرغم من أن ترانزستورات GaN الفردية يمكن أن توفر بالفعل بعض الخصائص المثيرة للإعجاب، فإن حقيقة أن جميع الترانزستورات التجارية الحاليةالجاليومالأجهزة من النوع N تؤثر على قدراتها في الكفاءة.

لفهم سبب حدوث ذلك، نحتاج إلى إلقاء نظرة على كيفية عمل منطق NMOS وCMOS. نظرًا لعملية التصنيع والتصميم البسيط، كان منطق NMOS تقنية شائعة جدًا في السبعينيات والثمانينيات. باستخدام مقاومة واحدة متصلة بين مصدر الطاقة وصرف ترانزستور MOS من النوع N، يمكن لبوابة هذا الترانزستور التحكم في جهد استنزاف ترانزستور MOS، وتنفيذ بوابة NOT بشكل فعال. عند دمجها مع ترانزستورات NMOS الأخرى، يمكن إنشاء جميع العناصر المنطقية، بما في ذلك AND وOR وXOR والمزالج.

ومع ذلك، على الرغم من بساطة هذه التقنية، إلا أنها تستخدم مقاومات لتوفير الطاقة. وهذا يعني أنه عند توصيل ترانزستورات NMOS، يتم إهدار قدر كبير من الطاقة على المقاومات. بالنسبة لبوابة فردية، يكون فقدان الطاقة هذا في حده الأدنى، ولكن عند ترقيته إلى وحدة معالجة مركزية صغيرة 8 بت، يمكن أن يتراكم فقدان الطاقة هذا، مما يؤدي إلى تسخين الجهاز والحد من عدد المكونات النشطة على شريحة واحدة.

كيف تطورت تقنية NMOS إلى CMOS؟

من ناحية أخرى، يستخدم CMOS الترانزستورات من النوع P والنوع N التي تعمل بشكل تآزري بطرق متعاكسة. بغض النظر عن حالة الإدخال لبوابة CMOS المنطقية، فإن مخرج البوابة لا يسمح بالاتصال من الطاقة إلى الأرض، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة (تمامًا كما هو الحال عندما يقوم النوع N بالتوصيل، والنوع P يعزل، والعكس صحيح). في الواقع، فقدان الطاقة الحقيقي الوحيد في دوائر CMOS يحدث أثناء انتقالات الحالة، حيث يتم تشكيل اتصال عابر بين الطاقة والأرض من خلال أزواج متكاملة.

العودة إلىالجاليومالأجهزة، نظرًا لوجود أجهزة من النوع N فقط حاليًا، وهي التقنية الوحيدة المتاحة لـالجاليومهو NMOS، وهو متعطش للطاقة بطبيعته. هذه ليست مشكلة بالنسبة لمضخمات التردد اللاسلكي، ولكنها تمثل عيبًا كبيرًا للدوائر المنطقية.

مع استمرار ارتفاع استهلاك الطاقة العالمي والتأثير البيئي للتكنولوجيا عن كثب، أصبح السعي لتحقيق كفاءة الطاقة في مجال الإلكترونيات أكثر أهمية من أي وقت مضى. تؤكد القيود المفروضة على استهلاك الطاقة في تقنية NMOS على الحاجة الملحة لتحقيق اختراقات في مواد أشباه الموصلات لتقديم أداء عالي وكفاءة عالية في استخدام الطاقة. تطوير النوع Pالجاليومأو التكنولوجيات التكميلية البديلة يمكن أن تمثل معلما هاما في هذا المسعى، ومن المحتمل أن تحدث ثورة في تصميم الأجهزة الإلكترونية الموفرة للطاقة.

ومن المثير للاهتمام أنه من الممكن تمامًا تصنيع النوع Pالجاليومالأجهزة، وقد تم استخدامها في مصادر الضوء الأزرق LED، بما في ذلك أقراص Blu-ray. ومع ذلك، في حين أن هذه الأجهزة كافية للمتطلبات الإلكترونية البصرية، فهي بعيدة كل البعد عن المثالية لتطبيقات المنطق الرقمي والطاقة. على سبيل المثال، المنشط العملي الوحيد لتصنيع النوع Pالجاليومالأجهزة هي المغنيسيوم، ولكن بسبب التركيز العالي المطلوب، يمكن أن يدخل الهيدروجين بسهولة إلى الهيكل أثناء التلدين، مما يؤثر على أداء المادة.

ولذلك، فإن غياب نوع Pالجاليومتمنع الأجهزة المهندسين من استغلال إمكانات GaN بشكل كامل كأشباه موصلات.

ماذا يعني هذا بالنسبة لمهندسي المستقبل؟

في الوقت الحاضر، تتم دراسة العديد من المواد، مع مرشح رئيسي آخر وهو كربيد السيليكون (SiC). يحبالجاليومبالمقارنة مع السيليكون، فهو يوفر جهد تشغيل أعلى، وجهد انهيار أكبر، وموصلية أفضل. بالإضافة إلى ذلك، تسمح موصليته الحرارية العالية باستخدامه في درجات حرارة قصوى وأحجام أصغر بكثير مع التحكم في طاقة أكبر.

ومع ذلك، على عكسالجاليوم، SiC غير مناسب للترددات العالية، مما يعني أنه من غير المرجح أن يتم استخدامه لتطبيقات الترددات اللاسلكية. لذلك،الجاليوميظل الخيار المفضل للمهندسين الذين يتطلعون إلى إنشاء مكبرات صوت صغيرة للطاقة. أحد الحلول لمشكلة النوع P هو الدمجالجاليوممع ترانزستورات MOS السيليكونية من النوع P. وفي حين أن هذا يوفر قدرات تكميلية، فإنه يحد بطبيعته من تردد وكفاءة GaN.

مع تقدم التكنولوجيا، قد يجد الباحثون في نهاية المطاف النوع Pالجاليومالأجهزة أو الأجهزة التكميلية التي تستخدم تقنيات مختلفة يمكن دمجها مع GaN. ومع ذلك، حتى يأتي ذلك اليوم،الجاليومستظل مقيدة بالقيود التكنولوجية في عصرنا.

إن الطبيعة المتعددة التخصصات لأبحاث أشباه الموصلات، التي تشمل علوم المواد، والهندسة الكهربائية، والفيزياء، تؤكد الجهود التعاونية اللازمة للتغلب على القيود الحالية لتكنولوجيا أشباه الموصلات.الجاليومتكنولوجيا. الاختراقات المحتملة في تطوير النوع Pالجاليومأو العثور على مواد تكميلية مناسبة لا يمكن أن يؤدي فقط إلى تحسين أداء الأجهزة المعتمدة على GaN، بل يساهم أيضًا في المشهد الأوسع لتكنولوجيا أشباه الموصلات، مما يمهد الطريق لأنظمة إلكترونية أكثر كفاءة وصغرًا وموثوقية في المستقبل.**

نحن في Semicorex نقوم بتصنيع وتوريدرقائق GaN Epi وأنواع أخرى من الرقائقالمطبقة في تصنيع أشباه الموصلات، إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال: +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com