Tại sao chúng ta không sử dụng bóng bán dẫn GaN ở mọi nơi?


37

Đã có rất nhiều nghiên cứu xung quanh các bóng bán dẫn GaN, chứng minh rằng chúng có điện trở rất thấp, điện tích cổng thấp và rất hiệu quả ở nhiệt độ cao.

Vậy tại sao chúng ta vẫn chủ yếu sản xuất bóng bán dẫn Si? Ngay cả khi bóng bán dẫn GaN đắt hơn trong sản xuất, nó chắc chắn phải bù nếu nó được sử dụng trong IC?


15
Câu trả lời của FakeMoustache là tuyệt vời; tuy nhiên, bạn cũng cần phải suy nghĩ về chi phí. Si là rẻ. Tôi có thể lấy mặt nạ của bạn từ Si, và chỉ cần thay đổi wafer thành SiGe để tăng tốc 10% với cùng công suất, nhưng chi phí cao hơn 25% cho wafer. Từ đó tôi có thể đi đến các tấm Sapphire, v.v. Bạn đang bị mắc kẹt trong một thị trường hàng hóa. Nếu bạn không bị hạn chế về giá, bạn có thể thực hiện tất cả các loại gọn gàng sẽ không được nhìn thấy trong dòng chính. SiCMOS không nhanh, nhưng chắc chắn là rẻ.
b deg Nam

7
@bdegnan Bạn nên thêm điều này như một câu trả lời. Nhận xét không cho câu trả lời và không tồn tại mãi mãi.
Mất trí

Câu trả lời:


50

Tôi đã sử dụng GaN rộng rãi từ năm 2013 hoặc lâu hơn, chủ yếu cho một ứng dụng thích hợp có thể dễ dàng hưởng lợi từ một lợi thế to lớn mà GaN có được nhờ khả năng chịu bức xạ Si. Không có cổng oxit để đâm thủng và bị SEGR, và nghiên cứu công cộng đã chỉ ra những phần sống qua 1MRad với sự xuống cấp tối thiểu. Kích thước nhỏ cũng rất tuyệt vời - với kích thước có thể bằng một hoặc hai (đồng xu), bạn có thể thực hiện bộ chuyển đổi 10A + DC / DC một cách dễ dàng. Cùng với khả năng mua chúng bằng các thanh hàn chì và một số bên thứ ba đóng gói chúng trong các gói kín, chúng là tương lai.

Nó đắt hơn và "phức tạp hơn" để làm việc. Không có cổng oxit, chỉ là một điểm nối bán dẫn kim loại, vì vậy điện áp ổ đĩa cổng rất hạn chế (đối với chế độ tăng cường do EPC chế tạo) - bất kỳ điện áp dư thừa nào cũng sẽ phá hủy bộ phận. Hiện tại chỉ có một số trình điều khiển cổng có sẵn công khai - mọi người mới bắt đầu xây dựng nhiều trình điều khiển hơn và cung cấp cho chúng tôi nhiều tùy chọn hơn LM5113 Quốc gia. Việc triển khai 'chính tắc' mà bạn sẽ thấy xung quanh là FETs LM5113 + LGA GaN, bởi vì ngay cả các dây liên kết trong các gói khác cũng có quá nhiều điện cảm. Xin nhắc lại, đây là nơi tiếng chuông đó đến từ:

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Các thiết bị eGaN của EPC sử dụng 2DEG và có thể được phân loại là HEMT trong các ứng dụng của chúng tôi. Đây là nơi có rất nhiều RDS thấp (ngu ngốc) của họ đến từ - thường là trong các milliohms một chữ số. Chúng có tốc độ cực nhanh, điều đó có nghĩa là bạn phải rất chú ý đến việc bật hiệu ứng Miller. Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, các cuộn cảm ký sinh trong vòng chuyển mạch trở nên quan trọng hơn nhiều ở các tốc độ này - bạn thực sự phải suy nghĩ về độ dày điện môi và vị trí thành phần để giữ cho độ tự cảm của vòng lặp đó thấp (<3nH đang hoạt động tốt, IIRC, nhưng thảo luận dưới đây, nó có thể / nên thấp hơn nhiều), như được thấy dưới đây:

Minh họa của 2DEG nhập mô tả hình ảnh ở đây

Đối với EPC, chúng cũng được xây dựng tại một xưởng đúc thông thường, giảm chi phí. Những người khác bao gồm các hệ thống GaN, Triquint, Cree, v.v. - một số trong số đó dành riêng cho mục đích RF, trong khi EPC chủ yếu nhắm vào các ứng dụng chuyển đổi / liên quan đến năng lượng (LIDAR, v.v.). GaN cũng là chế độ cạn kiệt, vì vậy mọi người có các giải pháp khác nhau để cải thiện chúng, bao gồm đơn giản là xếp một MOSFET kênh P nhỏ trên cổng để đảo ngược hành vi của nó.

Xây dựng thiết bị eGaN

Một hành vi thú vị khác là "thiếu" phí phục hồi ngược, với chi phí giảm đi mức cao hơn so với silicon khi ở trạng thái đó. Đó là một điều tiếp thị - họ nói với bạn rằng "bởi vì không có nhà cung cấp thiểu số nào tham gia vào việc dẫn truyền trong GaN HEMT ở chế độ nâng cao, nên không có tổn thất phục hồi ngược". Điều khiến họ chú ý là V_ {SD} thường nằm trong phạm vi 2-3V + so với 0,8V trong Si FET - chỉ là điều cần biết khi là nhà thiết kế hệ thống.

Tôi cũng sẽ chạm vào cổng một lần nữa - về cơ bản các trình điều khiển của bạn phải giữ một diode bootstrap ~ 5.2V bên trong để ngăn chặn các cổng trên các bộ phận. Bất kỳ độ tự cảm quá mức nào trên dấu vết cổng có thể dẫn đến đổ chuông sẽ phá hủy bộ phận, trong khi Si MOSFET trung bình của bạn thường có VSS khoảng +/- 20V hoặc hơn. Tôi đã phải dành nhiều giờ với một khẩu súng không khí nóng thay thế một bộ phận LGA vì tôi đã làm hỏng điều này.

Nhìn chung, tôi là một fan hâm mộ của các bộ phận cho ứng dụng của tôi. Tôi không nghĩ rằng chi phí đã giảm ở đó với Si, nhưng nếu bạn đang làm công việc thích hợp hoặc muốn có hiệu suất cao nhất có thể, GaN là cách tốt nhất - những người chiến thắng Thử thách Google Little Box đã sử dụng dựa trên GaN giai đoạn sức mạnh trong chuyển đổi của họ. Silicon vẫn rẻ, dễ sử dụng và mọi người hiểu nó, đặc biệt là từ POV đáng tin cậy. Các nhà cung cấp GaN sẽ nỗ lực hết sức để chứng minh con số độ tin cậy của thiết bị, nhưng MOSFE có nhiều thập kỷ dữ liệu kỹ thuật học được và độ tin cậy ở cấp độ vật lý của thiết bị để thuyết phục mọi người rằng phần đó sẽ không bị cháy theo thời gian.


2
Ngoài ra, lưu ý phụ, không cố gắng chuyển sang EPC, nó chỉ đơn giản là nhà cung cấp có cấu trúc liên kết (bóng bán dẫn GaN chế độ nâng cao cho các ứng dụng nguồn) mà tôi quen thuộc nhất. Cũng có những người khác - Cree, GaN Systems, v.v.
Krunal Desai

1
Con số 3 nH rất thú vị - một số mạch EPC thực sự nhanh đang hiển thị có độ tự cảm vòng lặp 0,4nH. Họ cũng cho biết độ nhạy điện áp cổng giảm với các thiết bị Gen 4 của họ .... Tôi không chơi với GaN, chủ yếu là SiC nên tôi không có kinh nghiệm ngay lập tức.
W5VO

Tôi đang nhớ một số bài viết / hướng dẫn bố trí trước đây của họ cho các thiết bị Gen1 / Gen2 Tôi nghĩ rằng chúng ở đâu trong phạm vi đó ... 0,4nH là các hạt , điện môi L1 / L2 mỏng đến mức nào? Tôi biết sẽ dễ dàng hơn nếu bạn sử dụng các bộ phận tích hợp của chúng (nút SW bị thu hẹp).
Krunal Desai

Tôi nghĩ rằng 4-8 triệu là độ dày (cố gắng nhớ), mặc dù họ không sử dụng các bộ phận nửa cầu trong ví dụ này. Đây là một phần trong nghiên cứu của họ về cấu trúc liên kết bố cục và họ không sử dụng thiết bị kết hợp. Tôi nhớ đã nghĩ rằng bố trí GaN sẽ làm cho những ngôi nhà fab trở nên phong phú từ tất cả các yêu cầu đặc biệt.
W5VO

Các bộ phận tích hợp (như EPC2100, IIRC) chắc chắn làm được - bạn phải sử dụng microvias để sử dụng các bộ phận đó, không có cách nào khác trừ khi bạn có một ngôi nhà có thể xử lý một số tỷ lệ khung hình ấn tượng w / micro-khoan.
Krunal Desai

35

nó chắc chắn phải bù nếu nó được sử dụng trong IC

À không, nó không vì nhiều lý do:

  • Các bóng bán dẫn GaN không thể dễ dàng được chế tạo trong các quy trình sản xuất IC ngày nay
  • Không phải mọi ứng dụng đều cần bóng bán dẫn nhanh nhất
  • Không phải mọi ứng dụng đều cần mức kháng cự thấp nhất
  • Không phải mọi ứng dụng đều cần hành vi nhiệt độ cao
  • Các bóng bán dẫn GaN không thể được chế tạo nhỏ như bóng bán dẫn MOS nhỏ nhất

So sánh nó với SiGe (Silicon Germanium) đã có sẵn trong nhiều năm. Nó có các bóng bán dẫn (lưỡng cực) nhanh hơn. Nó được sử dụng ở khắp mọi nơi? Không, bởi vì rất ít IC sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực. 99% IC ngày nay sử dụng bóng bán dẫn CMOS chỉ làm cho quá trình sản xuất SiGe trở thành một ứng dụng thích hợp.

Điều này cũng đúng với GaN, nó chỉ hữu ích cho các bóng bán dẫn Power . IC nói chung không có nhu cầu về loại bóng bán dẫn điện này.


16

Mạch tích hợp GaN

Hiện tại GaN không có khả năng vượt qua silicon trong các ứng dụng vi mạch điển hình vì kỹ thuật in khắc và xử lý chưa trưởng thành như silicon và CMOS GaN vẫn đang được nghiên cứu sớm. Tích hợp nhiều bóng bán dẫn đã có sẵn với GaN, nhưng ứng dụng chính là chuyển đổi năng lượng vì đó là nơi mà hầu hết các lợi ích có thể được nhận ra. Đối với một số lượng lớn các mạch, việc triển khai GaN thành công là không thể hoặc chỉ có cách sử dụng thích hợp. Ví dụ, một bộ vi điều khiển GaN không phải là thứ có thể đạt được với công nghệ hiện tại.


Tuy nhiên, trong các mạch điện, có nhiều lợi thế mà bạn có thể nhận ra với các thiết bị GaN hiện tại:

Chuyển đổi nhanh hơn (Hạ R DS (bật) cho một khu vực chết nhất định)

Với tốc độ chuyển đổi năng lượng lớn đi kèm với trách nhiệm lớn để quản lý điện cảm ký sinh. Bạn sẽ thấy hành vi mạch bất lợi với độ tự cảm vòng lặp trên 1 nH, và rất khó để tránh được độ tự cảm đó trong bố cục của bạn. Đối với nhiều mạch silicon, bạn có thể thoát khỏi tội giết người tương đối. Để tận dụng tối đa các bóng bán dẫn này, bạn phải chú ý đến tất cả các khía cạnh của bố trí bộ chuyển đổi năng lượng của bạn vượt xa mức độ chi tiết thường được yêu cầu bởi các thiết kế silicon.

Gói nhỏ hơn

Bao bì cũng nhỏ hơn, với EPC bán những gì về cơ bản là mối hàn bị hàn mà bạn trực tiếp chỉnh lại trên PCB. Ví dụ, thiết bị 40V, 16mΩ, 10A này có kích thước 1,7mm x 1,1mm hoặc lớn hơn một chút so với kích thước của điện trở 0603. Xử lý và xử lý phải được chuẩn bị cho các kỹ thuật theo phong cách BGA thay vì các bộ phận lớn hơn của SMT hoặc thông qua lỗ.

Hành vi nhiệt độ tốt

Và hoạt động ở nhiệt độ tốt là vô ích nếu bạn cần có một phần silicon tiêu chuẩn bên cạnh để điều khiển nó.

Điện áp ổ đĩa thấp

Ổ đĩa điện áp cổng thấp (thường là 5V cho các bộ phận EPC) cũng được kết hợp với điện áp cổng tối đa thấp (-4V đến + 6V VSS cho phần được liên kết ở trên). Điều này có nghĩa là trình điều khiển cổng của bạn phải ổn định để giữ cho thiết bị không bị hư hại và (một lần nữa) bố cục của bạn phải tốt. Điều này đã trở nên tốt hơn, nhưng vẫn còn là một mối quan tâm.

Có rất nhiều mong muốn để thấy những lợi ích của GaN như là một sự thay thế thả vào cho một phần silicon. Với tốc độ này, công việc được thêm vào cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn, và công việc cần thiết để tận dụng tốc độ chuyển đổi nhanh hơn có nghĩa là nó sẽ không đơn giản thay thế FET silicon trong các thiết kế cũ. Như FakeMoustache đề cập, bạn không cần luôn có hiệu suất cao nhất (và đôi khi bóng bán dẫn thậm chí không phải là điểm yếu).


4

GaN đang trở nên hữu ích trong việc khuếch đại RF và chuyển đổi nguồn (chuyển đổi nguồn điện). Trong trường hợp sau, nó cần làm mát ít hơn nhiều so với Si, trong trường hợp trước nó có thể chạy nhanh hơn.

Nhưng đối với việc sử dụng khuếch đại RF, nó không chỉ cạnh tranh với Si, mà còn cạnh tranh với GaAs (ví dụ MMIC) và SiGe. Để chuyển đổi năng lượng, SiC cũng đang trở nên thú vị.

Nhưng nó không chỉ là về chi phí và công nghệ cạnh tranh. Các thiết bị GaN tốt nhất cho cả điện trở và tốc độ chuyển mạch là HEMT. Các HEMT GaN thường là các thiết bị trên thiết bị ¹ yêu cầu độ lệch cổng âm để tắt chúng. Điều này làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp cho hệ thống, và cũng có nghĩa là lỗi mạch điều khiển có thể dẫn đến bóng bán dẫn bị hỏng, điều này "thú vị" nếu bạn đang xử lý những thứ như HVDC.

GaN phải được trồng trên chất nền dị, làm cho sự tăng trưởng khó khăn hơn (thêm chi phí). Mặc dù có nhiều năm nghiên cứu, điều này vẫn ảnh hưởng đến chất lượng vật chất của máy cạo lông, với ý nghĩa cho sự đánh đổi hiệu suất / trọn đời.

Vì vậy, GaN có thể là một công nghệ rất hữu ích cho các ứng dụng thích hợp nhất định, trở nên chính thống hơn nếu nó phát triển nhanh hơn một số công nghệ đối thủ.


Tôi đã làm việc với một số HEMT GaN trên đế Si có điện áp ngưỡng dương, nhưng tôi không nghĩ rằng bất kỳ sản phẩm nào đã đưa nó ra thị trường.


2

Vậy tại sao chúng ta vẫn chủ yếu sản xuất bóng bán dẫn Si? Ngay cả khi bóng bán dẫn GaN đắt hơn trong sản xuất, nó chắc chắn phải bù nếu nó được sử dụng trong IC?

Điều gì khiến bạn tin rằng "nó chắc chắn phải bù"? Nó chắc chắn không phải là trường hợp.

Bài viết trên Wikipedia (tiếng Đức) của GaN nói rằng vấn đề chính trong việc sản xuất các thiết bị dựa trên GaN là và vẫn còn khó khăn trong việc sản xuất các tinh thể đơn lớn. Bài báo cũng cho thấy ví dụ một đơn tinh thể có chiều dàichỉ 3mm (Thậm chí nếu nó có thể là có thể tạo ra những người lớn hơn nó sẽ không thể lớn hơn nhiều).

Ngược lại, có thể tạo ra các tinh thể Si đơn có đường kính gần nửa mét (khoảng 500mm) và chiều dài của nó là bội số của nó.

Chỉ có sự khác biệt lớn về kích thước tinh thể đơn có thể đạt được này cho thấy rõ rằng việc làm chủ công nghệ Si tiên tiến hơn nhiều so với Công nghệ GaN.

Và có nhiều khía cạnh hơn kích thước đơn tinh thể.


Tôi tin điều này bởi vì tôi thấy một số biểu đồ hiển thị năng lượng tiêu tán khi được chuyển từ bật sang tắt và ngược lại. Tôi đã không nhận ra điều này chỉ dành cho bóng bán dẫn điện.
Casper Vranken

0

Các vấn đề bố trí được đề cập trong các câu trả lời trước đó trở nên ít liên quan hơn với các nhà sản xuất tích hợp trình điều khiển và bóng bán dẫn trong một gói duy nhất, do đó tránh được vấn đề về vòng lặp cổng và độ tự cảm nguồn chung. Vì vậy, ở một mức độ lớn, câu hỏi nên là: "Khi nào chúng ta sử dụng GaN ở mọi nơi?"

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.