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来源:万物云联网

一般而言,GaN晶体管比传统硅器件更快且更有效。但如果是这样的话,有什么限制可以阻止它从宝座上取下硅芯片?

硅技术正在接近其极限。同时,仍然需要更快,需要更有效的电路。从这一点开始,其中一条路径是研究人员和公司都要研究不同的材料来制造面向未来的设备。

引起业界关注的一种材料特别是氮化镓(gallium nitride)或GaN,氮化镓(GaN)已经在光电子学中得到越来越多的应用。

以下是GaN的当前状态。

GaN vs 硅

在研究GaN的物理特性时,很容易理解为什么它是一种非常有前景的半导体。 GaN是二元III / V直接带隙半导体,其带隙能量为3.4eV,是带隙能量仅为1.1eV的硅的几倍。

GaN纤锌矿多面体。图片使用Solid_State提供

这种更宽的带隙使得GaN非常适用于光电子器件,并且是生产诸如UV LED之类的器件的关键,其中倍频是不切实际的。 GaN半导体不仅具有1000倍于硅的电子迁移率,而且还能够在更高的温度下工作,同时仍保持其特性(高达400摄氏度)。这些组合特性将使GaN在高频(THz),高温和高功率环境中非常理想。

GaN面临的问题

虽然GaN器件广泛用于光电子工业(例如LED),但由于若干原因,它们并不常用于晶体管中。 GaN晶体管的最大障碍之一是GaN器件通常是耗尽型器件,当栅极 - 源极电压为零时它们导通,这是一个问题,因为电源电路和逻辑依赖于常开和常关晶体管。

GaN的ACF电路

松下的图片

目前,有几个提议要建立在栅极 - 源极电压为零时关闭的GaN器件,包括添加氟离子,MIS型栅极堆叠,组合的GaN和Si器件,以及使用P型AlGaN / GaN异质结顶部的材料。

目前的GaN应用

虽然包含GaN晶体管的器件数量很少,但几家公司正在尝试增加对GaN基产品的兴趣。例如,松下已经使用他们的专利X-GaN技术在许多应用中生产GaN基晶体管,包括电源转换器(效率高达99%)和电机配置中晶体管的替代品。他们的X-GaN晶体管也可以完全取代MOSFET和续流二极管,从而节省能源并减小电路的物理尺寸。

图片由军事空间提供

GaN晶体管因其卓越的频率特性而进入无线电应用领域,与Comtech PST公司合作生产BPMC928109-1000型号,这是一种GaN放大器,用于高速摄像机,空中交通管制,甚至军事应用,要求频率在9.2-10GHz之间,10kW功率。

松下高压GaN的演进路标

GaN会取代硅吗?

与硅相比,GaN具有许多重要优势,更节能,更快,甚至更好的恢复特性。然而,虽然GaN似乎是一个优越的选择,但在一段时间以内它不会在所有应用中取代硅片。

相关电路设计

需要克服的第一个障碍是GaN晶体管的耗尽性质;有效功率和逻辑电路需要常开和常关两种类型的晶体管。虽然可以生产常关型GaN晶体管,但它们要么依赖于典型的硅MOSFET,要么需要特殊的附加层,这使得它们难以收缩。不能以与当前硅晶体管相同的规模生产GaN晶体管也意味着它们在CPU和其他微控制器中使用是不实际的。

GaN晶体管的第二个问题是,用于制造增强型GaN晶体管的唯一已知方法(在写入时)是使用获得专利的松下方法来使用额外的AlGaN层。这意味着涉及这种晶体管类型的任何创新将依赖于Panasonic,直到可以研究其他方法。

自21世纪初以来,GaN器件的工作已经出现,但GaN晶体管仍处于起步阶段。毫无疑问,他们将在未来十年内取代电力应用中的硅晶体管,但它们仍远未用于数据处理应用。

然而,如果GaN器件可以小型化(小于100nm的特性),那么它们不仅可以用于替代硅以获得更好的功率效率,而且它们还可以以更高的速度运行并且允许其功率处理器继续增加。


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