गॅलियम नायट्राइड (GaN) ऍप्लिकेशन्सचे फायदे आणि तोटे

जग अर्धसंवाहकांमध्ये नवीन संधी शोधत असताना,गॅलियम नायट्राइडभविष्यातील शक्ती आणि RF अनुप्रयोगांसाठी संभाव्य उमेदवार म्हणून उभे राहणे सुरू आहे. तथापि, ते देत असलेल्या सर्व फायद्यांसाठी, अद्याप एक मोठे आव्हान आहे; कोणतेही पी-प्रकार (पी-प्रकार) उत्पादने नाहीत. GaN ला पुढील प्रमुख अर्धसंवाहक सामग्री का म्हणून ओळखले जाते, P-प्रकार GaN उपकरणांची कमतरता ही एक मोठी कमतरता का आहे आणि भविष्यातील डिझाइनसाठी याचा अर्थ काय आहे?

इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये, पहिली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बाजारात आल्यापासून चार तथ्ये कायम आहेत: ते शक्य तितके लहान, शक्य तितके स्वस्त, शक्य तितकी उर्जा प्रदान करणे आणि शक्य तितक्या कमी वीज वापरणे आवश्यक आहे. या गरजा अनेकदा एकमेकांच्या विरोधाभासी असतात हे लक्षात घेता, या चार गरजा पूर्ण करू शकणारे परिपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक उपकरण तयार करण्याचा प्रयत्न करणे हे एक स्वप्नच आहे, परंतु यामुळे अभियंत्यांना ते पूर्ण करण्यासाठी सर्वकाही करण्यापासून थांबवले नाही.

या चार मार्गदर्शक तत्त्वांचा वापर करून, अभियंते खोलीच्या आकाराच्या उपकरणांपासून तांदळाच्या दाण्यापेक्षा लहान चिप्स, वायरलेस कम्युनिकेशन आणि इंटरनेटवर प्रवेश करण्यास अनुमती देणारे स्मार्टफोन आणि आभासी वास्तविकता प्रणालींसह अनेक अशक्य वाटणारी कामे पूर्ण करण्यात यशस्वी झाले आहेत. जे आता परिधान केले जाऊ शकते आणि होस्ट संगणकापासून स्वतंत्रपणे वापरले जाऊ शकते. तथापि, अभियंते सिलिकॉन सारख्या सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीच्या भौतिक मर्यादेपर्यंत पोहोचत असताना, उपकरणे लहान करणे आणि कमी उर्जा वापरणे आता अशक्य होत आहे.

परिणामी, संशोधक सतत नवीन सामग्री शोधत आहेत जे अशा सामान्य सामग्रीची जागा घेऊ शकतील आणि अधिक कार्यक्षमतेने चालणारी लहान उपकरणे प्रदान करणे सुरू ठेवू शकतात. गॅलियम नायट्राइड (GaN) ही एक अशी सामग्री आहे ज्याने सिलिकॉनच्या तुलनेत, स्पष्ट कारणांमुळे बरेच लक्ष वेधले आहे.

GaNची उच्च कार्यक्षमता

प्रथम, GaN सिलिकॉनपेक्षा 1,000 पट अधिक कार्यक्षमतेने वीज चालवते, ज्यामुळे ते उच्च प्रवाहांवर कार्य करू शकते. याचा अर्थ असा की GaN उपकरणे जास्त उष्णता निर्माण न करता लक्षणीय उच्च उर्जेवर चालवू शकतात आणि अशा प्रकारे समान दिलेल्या उर्जेसाठी लहान केले जाऊ शकतात.

GaN ची थर्मल चालकता सिलिकॉनपेक्षा थोडी कमी असली तरी, त्याचे थर्मल व्यवस्थापन फायदे उच्च-शक्ती इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी नवीन मार्ग उघडतात. हे विशेषतः अशा ऍप्लिकेशन्ससाठी महत्वाचे आहे जिथे जागा प्रीमियमवर आहे आणि कूलिंग सोल्यूशन्स कमी करणे आवश्यक आहे, जसे की एरोस्पेस आणि ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रॉनिक्स, आणि उच्च तापमानात कार्यप्रदर्शन टिकवून ठेवण्याची GaN उपकरणांची क्षमता कठोर वातावरणातील अनुप्रयोगांसाठी त्यांच्या संभाव्यतेवर प्रकाश टाकते.

दुसरे म्हणजे, GaN (3.4eV vs. 1.1eV) चा मोठा बँडगॅप डायलेक्ट्रिक ब्रेकडाउनपूर्वी उच्च व्होल्टेजवर वापरण्यास परवानगी देतो. परिणामी, GaN केवळ अधिक उर्जा वितरीत करण्यास सक्षम नाही, परंतु उच्च कार्यक्षमता राखून उच्च व्होल्टेजवर असे करू शकते.

उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता देखील उच्च फ्रिक्वेन्सीवर GaN वापरण्याची परवानगी देते. हा घटक GHz रेंजच्या वर चालणाऱ्या RF पॉवर ऍप्लिकेशन्ससाठी GaN गंभीर बनवतो (सिलिकॉन ज्याच्याशी संघर्ष करत आहे).

तथापि, थर्मल चालकतेच्या बाबतीत सिलिकॉन हे GaN पेक्षा किंचित चांगले आहे, याचा अर्थ असा की GaN उपकरणांना सिलिकॉन उपकरणांपेक्षा जास्त थर्मल आवश्यकता असते. परिणामी, थर्मल चालकतेचा अभाव उच्च पॉवरवर चालत असताना GaN उपकरणे कमी करण्याची क्षमता मर्यादित करते (कारण उष्णता नष्ट करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात सामग्रीची आवश्यकता असते).

GaNच्या अकिलीस हील - पी-प्रकार नाही

उच्च फ्रिक्वेन्सीवर उच्च पॉवरवर काम करू शकणारे सेमीकंडक्टर असणे खूप चांगले आहे, परंतु GaN ऑफर करत असलेल्या सर्व फायद्यांसाठी, अनेक अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉन बदलण्याच्या क्षमतेला गंभीरपणे अडथळा आणणारी एक मोठी कमतरता आहे: P-प्रकारांची कमतरता.

निर्विवादपणे, या नवीन शोधलेल्या साहित्याचा मुख्य उद्देश नाटकीयरित्या कार्यक्षमता वाढवणे आणि उच्च शक्ती आणि व्होल्टेजला समर्थन देणे हे आहे आणि सध्याचे GaN ट्रान्झिस्टर हे साध्य करू शकतात यात शंका नाही. तथापि, वैयक्तिक GaN ट्रान्झिस्टर काही प्रभावी गुणधर्म ऑफर करत असताना, सध्याची सर्व व्यावसायिक GaN साधने N-प्रकारची आहेत ही वस्तुस्थिती त्यांच्या अत्यंत कार्यक्षम असण्याच्या क्षमतेशी तडजोड करते.

असे का होते हे समजून घेण्यासाठी, आपल्याला NMOS आणि CMOS लॉजिक कसे कार्य करते ते पहावे लागेल. NMOS लॉजिक हे 1970 आणि 1980 च्या दशकात त्याच्या साध्या उत्पादन प्रक्रियेमुळे आणि डिझाइनमुळे खूप लोकप्रिय तंत्रज्ञान होते. एन-टाइप एमओएस ट्रान्झिस्टरचा वीज पुरवठा आणि ड्रेन दरम्यान जोडलेले एकल रेझिस्टर वापरून, त्या ट्रान्झिस्टरचे गेट एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या ड्रेनवर व्होल्टेज नियंत्रित करण्यास सक्षम आहे, प्रभावीपणे नॉन-गेट लागू करते. इतर NMOS ट्रान्झिस्टरसह एकत्रित केल्यावर, AND, OR, XOR आणि लॅचेससह सर्व लॉजिक घटक तयार करणे शक्य आहे.

तथापि, हे तंत्र जरी सोपे असले तरी ते पॉवर देण्यासाठी रेझिस्टर वापरते, याचा अर्थ एनएमओएस ट्रान्झिस्टर चालू असताना प्रतिरोधकांवर बरीच शक्ती वाया जाते. एका गेटसाठी, ही पॉवर लॉस कमी आहे, परंतु लहान 8-बिट CPU ला स्केलिंग करताना वाढू शकते, जे डिव्हाइस गरम करू शकते आणि एकाच चिपवर सक्रिय डिव्हाइसेसची संख्या मर्यादित करू शकते.