Vantagens e desvantagens das aplicações de nitreto de gálio (GaN)

À medida que o mundo procura novas oportunidades em semicondutores,nitreto de gáliocontinua a se destacar como um candidato potencial para futuras aplicações de energia e RF. Contudo, apesar de todos os benefícios que oferece, ainda enfrenta um grande desafio; não existem produtos do tipo P (tipo P). Por que o GaN é apontado como o próximo grande material semicondutor, por que a falta de dispositivos GaN tipo P é uma grande desvantagem e o que isso significa para projetos futuros?

Na electrónica, quatro factos persistiram desde que os primeiros dispositivos electrónicos chegaram ao mercado: têm de ser tão pequenos quanto possível, tão baratos quanto possível, fornecer a maior quantidade de energia possível e consumir o mínimo de energia possível. Considerando que esses requisitos muitas vezes se contradizem, tentar criar o dispositivo eletrônico perfeito que possa atender a esses quatro requisitos é um sonho impossível, mas isso não impediu os engenheiros de fazerem tudo o que podiam para que isso acontecesse.

Usando esses quatro princípios orientadores, os engenheiros conseguiram realizar uma variedade de tarefas aparentemente impossíveis, com computadores passando de dispositivos do tamanho de uma sala para chips menores que um grão de arroz, smartphones que permitem comunicação sem fio e acesso à Internet e sistemas de realidade virtual. que agora pode ser usado independentemente do computador host. No entanto, à medida que os engenheiros se aproximam dos limites físicos dos materiais comumente usados, como o silício, torna-se impossível tornar os dispositivos menores e usar menos energia.

Como resultado, os pesquisadores estão constantemente em busca de novos materiais que possam substituir esses materiais comuns e continuar a fornecer dispositivos menores que funcionem com mais eficiência. O nitreto de gálio (GaN) é um material que tem atraído muita atenção, comparado ao silício, por razões óbvias.

GaNeficiência superior

Primeiro, o GaN conduz eletricidade 1.000 vezes mais eficientemente que o silício, permitindo-lhe operar em correntes mais altas. Isso significa que os dispositivos GaN podem funcionar com uma potência significativamente maior sem gerar muito calor e, portanto, podem ser reduzidos para a mesma potência.

Embora a condutividade térmica do GaN seja ligeiramente inferior à do silício, as suas vantagens de gestão térmica abrem novos caminhos para a electrónica de alta potência. Isto é especialmente importante para aplicações onde o espaço é escasso e as soluções de refrigeração precisam ser minimizadas, como a eletrônica aeroespacial e automotiva, e a capacidade dos dispositivos GaN de manter o desempenho em altas temperaturas destaca ainda mais seu potencial para aplicações em ambientes agressivos.

Em segundo lugar, o maior bandgap de GaN (3,4eV vs. 1,1eV) permite o uso em tensões mais altas antes da ruptura dielétrica. Como resultado, o GaN não só é capaz de fornecer mais energia, mas também em tensões mais altas, mantendo maior eficiência.

A alta mobilidade eletrônica também permite que o GaN seja usado em frequências mais altas. Esse fator torna o GaN crítico para aplicações de energia de RF que operam bem acima da faixa de GHz (algo contra o qual o silício tem dificuldade).

No entanto, o silício é ligeiramente melhor que o GaN em termos de condutividade térmica, o que significa que os dispositivos GaN têm requisitos térmicos maiores do que os dispositivos de silício. Como resultado, a falta de condutividade térmica limita a capacidade de encolher dispositivos GaN quando operam em alta potência (porque são necessários grandes pedaços de material para dissipar o calor).

GaNCalcanhar de Aquiles - Sem tipo P

É ótimo ter semicondutores que podem operar com alta potência em altas frequências, mas apesar de todas as vantagens que o GaN oferece, há uma grande desvantagem que dificulta gravemente sua capacidade de substituir o silício em muitas aplicações: a falta de tipos P.

Indiscutivelmente, um dos principais objetivos desses materiais recém-descobertos é aumentar drasticamente a eficiência e suportar maior potência e tensão, e não há dúvida de que os atuais transistores GaN podem conseguir isso. No entanto, embora os transistores GaN individuais ofereçam algumas propriedades impressionantes, o fato de todos os dispositivos GaN comerciais atuais serem do tipo N compromete sua capacidade de serem extremamente eficientes.

Para entender por que isso acontece, precisamos ver como funciona a lógica NMOS e CMOS. A lógica NMOS foi uma tecnologia muito popular nas décadas de 1970 e 1980 devido ao seu processo de fabricação e design simples. Ao usar um único resistor conectado entre a fonte de alimentação e o dreno de um transistor MOS tipo N, a porta desse transistor é capaz de controlar a tensão no dreno do transistor MOS, implementando efetivamente uma não porta. Quando combinado com outros transistores NMOS, é possível criar todos os componentes lógicos, incluindo AND, OR, XOR e latches.

No entanto, embora esta técnica seja simples, ela utiliza resistores para fornecer energia, o que significa que muita energia é desperdiçada nos resistores quando os transistores NMOS estão ligados. Para uma única porta, essa perda de energia é mínima, mas pode aumentar ao escalar para CPUs pequenas de 8 bits, o que pode aquecer o dispositivo e limitar o número de dispositivos ativos em um único chip.