A falha fatal do GaN

À medida que o mundo procura novas oportunidades no campo dos semicondutores,Nitreto de gálio (GaN)continua a se destacar como um candidato potencial para futuras aplicações de energia e RF. No entanto, apesar dos seus inúmeros benefícios, o GaN enfrenta um desafio significativo: a ausência de produtos do tipo P. Por que éGaNaclamado como o próximo grande material semicondutor, por que a falta de dispositivos GaN tipo P é uma desvantagem crítica e o que isso significa para projetos futuros?

Por que éGaNAclamado como o próximo grande material semicondutor?

No domínio da electrónica, quatro factos persistiram desde que os primeiros dispositivos electrónicos chegaram ao mercado: eles precisam de ser tão pequenos quanto possível, tão baratos quanto possível, oferecer tanta energia quanto possível e consumir o mínimo de energia possível. Dado que esses requisitos muitas vezes entram em conflito entre si, tentar criar o dispositivo eletrônico perfeito que atenda a todos os quatro requisitos parece um sonho. No entanto, isso não impediu os engenheiros de se esforçarem para alcançá-lo.

Utilizando esses quatro princípios orientadores, os engenheiros conseguiram realizar uma variedade de tarefas aparentemente impossíveis. Os computadores passaram de máquinas do tamanho de uma sala para chips menores que um grão de arroz, os smartphones agora permitem comunicação sem fio e acesso à Internet, e os sistemas de realidade virtual podem agora ser usados ​​independentemente de um host. No entanto, à medida que os engenheiros se aproximam dos limites físicos de materiais comumente usados, como o silício, tornar os dispositivos menores e consumir menos energia tornou-se cada vez mais desafiador.

Consequentemente, os investigadores estão continuamente à procura de novos materiais que possam potencialmente substituir esses materiais comuns e continuam a oferecer dispositivos mais pequenos e mais eficientes.Nitreto de gálio (GaN)é um desses materiais que tem atraído atenção significativa, e as razões são evidentes quando comparadas ao silício.

O que fazNitreto de gálioExcepcionalmente eficiente?

Em primeiro lugar, a condutividade elétrica do GaN é 1000 vezes superior à do silício, permitindo-lhe operar em correntes mais elevadas. Isso significaGaNos dispositivos podem funcionar em níveis de potência significativamente mais altos sem gerar calor excessivo, permitindo que sejam reduzidos para uma determinada potência.

Apesar da condutividade térmica ligeiramente inferior do GaN em comparação com o silício, suas vantagens no gerenciamento de calor abrem caminho para novos caminhos na eletrônica de alta potência. Isto é particularmente crucial para aplicações onde o espaço é escasso e as soluções de refrigeração precisam ser minimizadas, como na eletrônica aeroespacial e automotiva.GaNa capacidade dos dispositivos de manter o desempenho em altas temperaturas destaca ainda mais seu potencial em aplicações em ambientes agressivos.

Em segundo lugar, o maior gap de banda do GaN (3,4eV em comparação com 1,1eV) permite que ele seja usado em tensões mais altas antes da ruptura dielétrica. Consequentemente,GaNnão apenas oferece maior potência, mas também pode operar em tensões mais altas, mantendo maior eficiência.

A alta mobilidade eletrônica também permiteGaNpara ser usado em frequências mais altas. Esse fator torna o GaN essencial para aplicações de energia de RF que operam bem acima da faixa de GHz, algo que o silício tem dificuldade em controlar. No entanto, em termos de condutividade térmica, o silício supera ligeiramenteGaN, o que significa que os dispositivos GaN têm maiores requisitos térmicos em comparação com os dispositivos de silício. Como resultado, a falta de condutividade térmica limita a capacidade de miniaturizarGaNdispositivos para operações de alta potência, pois são necessários maiores volumes de material para dissipação de calor.

Qual é a falha fatal deGaN—Falta de tipo P?

Ter um semicondutor capaz de operar em alta potência e altas frequências é excelente. No entanto, apesar de todas as suas vantagens, o GaN tem uma grande falha que dificulta seriamente a sua capacidade de substituir o silício em muitas aplicações: a falta de dispositivos GaN tipo P.

Um dos principais objetivos destes materiais recentemente descobertos é melhorar significativamente a eficiência e suportar maior potência e tensão, e não há dúvida de que a correnteGaNtransistores podem conseguir isso. No entanto, embora os transistores GaN individuais possam de fato fornecer algumas características impressionantes, o fato de que todos os transistores comerciais atuaisGaNdispositivos são do tipo N afeta suas capacidades de eficiência.

Para entender por que isso acontece, precisamos observar como funcionam as lógicas NMOS e CMOS. Devido ao seu processo de fabricação e design simples, a lógica NMOS foi uma tecnologia muito popular nas décadas de 1970 e 1980. Ao usar um único resistor conectado entre a fonte de alimentação e o dreno de um transistor MOS tipo N, a porta deste transistor pode controlar a tensão de dreno do transistor MOS, implementando efetivamente uma porta NOT. Quando combinados com outros transistores NMOS, todos os elementos lógicos, incluindo AND, OR, XOR e latches, podem ser criados.

No entanto, embora esta tecnologia seja simples, ela utiliza resistores para fornecer energia. Isso significa que quando os transistores NMOS conduzem, uma quantidade significativa de energia é desperdiçada nos resistores. Para uma porta individual, essa perda de energia é mínima, mas quando ampliada para uma pequena CPU de 8 bits, essa perda de energia pode se acumular, aquecendo o dispositivo e limitando o número de componentes ativos em um único chip.

Como a tecnologia NMOS evoluiu para CMOS?

Por outro lado, o CMOS usa transistores do tipo P e do tipo N que funcionam sinergicamente de maneiras opostas. Independentemente do estado de entrada da porta lógica CMOS, a saída da porta não permite uma conexão da alimentação ao terra, reduzindo significativamente a perda de potência (assim como quando o tipo N conduz, o tipo P isola e vice-versa). Na verdade, a única perda real de potência em circuitos CMOS ocorre durante transições de estado, onde uma conexão transitória entre potência e terra é formada através de pares complementares.

Voltando paraGaNdispositivos, uma vez que atualmente existem apenas dispositivos do tipo N, a única tecnologia disponível paraGaNé o NMOS, que é inerentemente sedento de energia. Isto não é um problema para amplificadores de RF, mas é uma grande desvantagem para circuitos lógicos.

À medida que o consumo global de energia continua a aumentar e o impacto ambiental da tecnologia é examinado de perto, a procura da eficiência energética na electrónica tornou-se mais crítica do que nunca. As limitações de consumo de energia da tecnologia NMOS ressaltam a necessidade urgente de avanços em materiais semicondutores para oferecer alto desempenho e alta eficiência energética. O desenvolvimento do tipo PGaNou tecnologias complementares alternativas poderiam constituir um marco significativo nesta busca, revolucionando potencialmente a concepção de dispositivos electrónicos energeticamente eficientes.

Curiosamente, é inteiramente possível fabricarGaNdispositivos, e estes têm sido usados ​​​​em fontes de luz LED azul, incluindo Blu-ray. No entanto, embora estes dispositivos sejam suficientes para requisitos optoeletrônicos, eles estão longe de serem ideais para lógica digital e aplicações de energia. Por exemplo, o único dopante prático para a fabricação do tipo PGaNdispositivos é o magnésio, mas devido à alta concentração necessária, o hidrogênio pode entrar facilmente na estrutura durante o recozimento, afetando o desempenho do material.

Portanto, a ausência do tipo PGaNdispositivos impede que os engenheiros explorem totalmente o potencial do GaN como semicondutor.

O que isso significa para futuros engenheiros?

Atualmente, muitos materiais estão sendo estudados, sendo outro candidato importante o carboneto de silício (SiC). ComoGaN, em comparação com o silício, oferece maior tensão operacional, maior tensão de ruptura e melhor condutividade. Além disso, sua alta condutividade térmica permite que seja usado em temperaturas extremas e em tamanhos significativamente menores, controlando maior potência.

No entanto, ao contrárioGaN, o SiC não é adequado para altas frequências, o que significa que é improvável que seja usado para aplicações de RF. Portanto,GaNcontinua sendo a escolha preferida para engenheiros que desejam criar pequenos amplificadores de potência. Uma solução para o problema do tipo P é combinarGaNcom transistores MOS de silício tipo P. Embora isso forneça recursos complementares, limita inerentemente a frequência e a eficiência do GaN.

À medida que a tecnologia avança, os pesquisadores podem eventualmente encontrarGaNdispositivos ou dispositivos complementares que utilizam diferentes tecnologias que podem ser combinadas com GaN. Porém, até que esse dia chegue,GaNcontinuará a ser limitado pelas limitações tecnológicas do nosso tempo.

A natureza interdisciplinar da pesquisa em semicondutores, envolvendo ciência dos materiais, engenharia elétrica e física, ressalta os esforços colaborativos necessários para superar as atuais limitações daGaNtecnologia. Avanços potenciais no desenvolvimento do tipo PGaNou encontrar materiais complementares adequados poderia não apenas melhorar o desempenho dos dispositivos baseados em GaN, mas também contribuir para o cenário mais amplo da tecnologia de semicondutores, abrindo caminho para sistemas eletrônicos mais eficientes, compactos e confiáveis ​​no futuro.**

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