Neden her yerde GaN transistörlerini kullanmıyoruz?


36

GaN transistörleri ile ilgili, çok düşük dirençli, düşük geçişli olduklarını ve yüksek sıcaklıklarda çok etkili olduklarını kanıtlayan çok sayıda araştırma yapılmıştır.

Peki neden hala daha çok Si transistör üretiyoruz? GaN transistörü üretimde daha pahalı olsa bile, IC'lerde kullanılıyorsa mutlaka telafi etmeli mi?


15
FakeMoustache'nin cevabı mükemmel; ancak maliyeti de düşünmeniz gerekir. Si ucuz. Maskelerinizi Si'den alıyorum ve sadece aynı güçte% 10 hız kazanmak için gofreti SiGe olarak değiştiriyorum, ancak gofret için maliyet% 25 daha fazla. Oradan Sapphire gofretlerine, vs. gidebilirim. Bir emtia piyasasında mahsur kaldınız. Fiyat kısıtlamanız yoksa, ana akımda görülmeyecek her türlü temiz şeyi yaparsınız. SiCMOS hızlı değil, ama kesinlikle ucuz.
b degnan

7
@bdegnan Bunu bir cevap olarak eklemelisiniz. Yorumlar cevaplar için değildir ve sonsuza dek sürmez.
Insane

Yanıtlar:


50

GaN'ı 2013 yılından beri yoğun olarak kullanıyorum, öncelikle GaN'nin Si - radyasyon toleransına göre sahip olduğu büyük bir avantajdan kolayca yararlanabilecek bir niş uygulama için. SEGR'den delinecek ve zarar görecek geçit oksidi yoktur ve kamu araştırmaları 1MRad'dan sonra yaşayan kısımları en az degradasyonla göstermiştir. Küçük boyut da şaşırtıcı - belki çeyrek veya iki (bozuk para) boyutunda, kolaylıkla bir 10A + DC / DC dönüştürücü uygulayabilirsiniz. Bunları kurşunlu lehim çubukları ile satın alma kabiliyetiyle birleştiğinde ve bazı üçüncü taraflar bunları hava geçirmez bir şekilde kapatılmış paketlerde ambalajlıyorlar, bunlar gelecek.

Çalışması daha pahalı ve "zor". Kapı-oksit, sadece metal-yarı iletken bir bağlantı yoktur, bu nedenle kapı tahrik voltajı oldukça kısıtlayıcıdır (EPC tarafından yapılan geliştirme modu için) - herhangi bir aşırı voltaj parçayı tahrip eder. Şu an sadece birkaç tane halka açık kapı sürücüsü var - millet şu anda daha fazla sürücü oluşturmaya ve bize Ulusal LM5113'ten daha fazla seçenek vermeye başlıyor. Göreceğiniz 'kanonik' uygulama, BGA LM5113 + LGA GaN FET'lerdir çünkü diğer paketlerdeki bağ telleri bile çok fazla endüktans ekler. Bir hatırlatıcı olarak, bu zil sesinin geldiği yer:

görüntü tanımını buraya girin

EPC'nin eGaN cihazları bir 2DEG kullanır ve uygulamalarımızda HEMT olarak sınıflandırılabilir. Bu onların aptalca düşük RDS (açık) birçoğunun geldiği yerdir - genellikle tek basamaklı milliohm'dadır. İnanılmaz derecede yüksek hızlara sahipler, bu da Miller etkisi kaynaklı açılışın farkında olmanız gerektiği anlamına gelir. Ek olarak, yukarıda bahsedildiği gibi, anahtarlama döngüsündeki parazitik indüktanslar bu hızlarda çok daha kritik hale gelir - aslında bu döngü indüktansını düşük tutmak için dielektrik kalınlıklarınızı ve bileşen yerleşiminizi düşünmeniz gerekir (<3nH iyi yapıyor, IIRC, ancak aşağıda tartışıldığı gibi aşağıda da görüldüğü gibi çok daha düşük olabilir / olması gerekir:

2DEG'nin gösterimi görüntü tanımını buraya girin

EPC için, geleneksel bir dökümhanede de üretiliyorlar ve maliyetleri düşürüyorlar. Diğer insanlar arasında GaN sistemleri, Triquint, Cree, vb. Bunlardan bazıları özellikle RF amaçlarına yöneliktir, oysaki EPC öncelikle güç dönüşümünü / ilgili uygulamaları (LIDAR vb.) Hedefler. GaN aynı zamanda doğal olarak tükenme kipindedir, bu yüzden insanlar davranışlarını tersine çevirmek için kapıdaki küçük bir P-kanalı MOSFET'in istiflenmesi de dahil olmak üzere, kendilerini geliştirmeleri için farklı çözümlere sahiptir.

EGaN Cihazı İnşaatı

Bir başka ilginç davranış ise, bu durumda bir silikondan daha yüksek diyot düşmesi pahasına, ters geri kazanım yükünün "olmaması" dır. Bu bir tür pazarlama işi - size şunu söylüyorlar: "bir geliştirme modunda GaN HEMT'de iletimde yer alan azınlık taşıyıcıları olmadığı için geri kazanım kaybı yoktur". Gördükleri parlaklık, V_ {SD} 'nin bir Si FET'deki 0.8V'a kıyasla genellikle 2-3V + aralığında olması - sadece bir sistem tasarımcısı olarak dikkat edilmesi gereken bir şey.

Kapıya da tekrar dokunacağım - sürücüleriniz temelde kapılardaki çatlakları önlemek için ~ 5.2V önyükleme diyotunu dahili olarak tutmak zorundalar. Geçit izindeki herhangi bir fazla endüktans, parçayı tahrip edecek zil çalmasına yol açabilir, oysa ortalama Si MOSFET'iniz genellikle +/- 20V civarında bir Vgs'ye sahiptir. Bir saatimi bir LGA parçasının yerine sıcak hava tabancasıyla harcamak zorunda kaldım çünkü bunu mahvetmiştim.

Genel olarak, başvurum için parçaların hayranıyım. Maliyetin henüz Si ile oralarda olduğunu sanmıyorum, ancak niş işler yapıyorsanız veya mümkün olan en yüksek performansı istiyorsanız, GaN gitmenin yolu - Google Little Box Mücadelesi kazananları GaN tabanlı onların dönüştürücü güç aşaması. Silikon hala ucuz, kullanımı kolay ve insanlar bunu özellikle de güvenilir bir POV ile anlıyorlar. GaN satıcıları, cihaz güvenilirlik rakamlarını kanıtlamak için büyük çaba harcayacaklar, ancak MOSFET'lerde, parçanın zamanla yanmayacağına dair insanları ikna etmek için cihaz fiziği seviyesinde onlarca yıllık dersler ve güvenilirlik mühendisliği verileri var.


2
Ayrıca, Not: EPC için durmaya çalışmayan, sadece topolojisi (güç uygulamaları için geliştirme modu GaN transistörleri) en aşina olduğum satıcı. Başkaları da var - Cree, GaN Sistemleri, vs.
Krunal Desai

1
3 nH rakam ilginç - gerçekten hızlı devrelerin bazıları gösterdiği gösteriyordu 0.4nH loop endüktansı. Ayrıca geçit voltajı hassasiyetinin Gen 4 cihazları ile azaldığını söylediler .... GaN ile oynamam, özellikle SiC ile hemen deneyime sahip değilim.
W5VO

Gen1 / Gen2 cihazları için daha önce bildiri / düzenleme kılavuzlarından bazılarını hatırlıyorum. Bu aralıkta olduklarını düşündüğüm yerdeyim… 0.4nH fındık , L1 / L2 dielektrik ne kadar ince? Onların da bütünleşik parçalarını kullanırsanız daha kolay olacağını biliyorum (shrunken SW node).
Krunal Desai

Bence 4-8 mil kalınlıktaydı (hatırlamaya çalışıyor), ancak bu örnekte yarım köprü parçaları kullanmıyorlardı. Bu, yerleşim topolojileri konusundaki çalışmalarının bir parçasıydı ve birleşik bir cihaz kullanmıyorlardı. GaN düzenlerinin pano evlerini tüm özel gereksinimlerden zengin yapacağını düşündüğümü hatırlıyorum.
W5VO

Entegre parçalar (EPC2100, IIRC gibi) kesinlikle böyledir - mikro delikleri kullanmanız için etkileyici boyut oranlarını kaldırabilecek bir eviniz olmadıkça bu parçaları kullanmak için mikroyak kullanmanız gerekir.
Krunal Desai

34

IC'lerde kullanılıyorsa mutlaka telafi etmesi gerekir

Peki, hayır, birkaç nedenden dolayı değil:

  • GaN transistörleri günümüzün IC üretim işlemlerinde kolayca yapılamaz
  • Her uygulama en hızlı transistöre ihtiyaç duymaz
  • Her uygulama en düşük dayanıma ihtiyaç duymaz
  • Her uygulama yüksek sıcaklık davranışına ihtiyaç duymaz
  • GaN transistörleri, en küçük MOS transistörü kadar küçük yapılamaz

Uzun yıllardır mevcut olan SiGe (Silikon Germanyum) ile karşılaştırın . Daha hızlı (bipolar) transistörlere sahiptir. Her yerde kullanılıyor mu? Hayır, çünkü birkaç IC iki kutuplu transistör kullanır. Bugünün IC'lerinin% 99'u sadece SiGe üretim süreçlerini niş bir uygulama yapan CMOS transistörlerini kullanıyor.

Aynısı GaN için de geçerlidir, sadece Güç transistörleri için faydalıdır . IC'ler genellikle bu tür güç transistörlerine ihtiyaç duymazlar.


16

GaN Tümleşik Devreler

Şu anda, GaN, tipik IC uygulamalarında litografi ve işleme silikon kadar olgun olmadığı için silisyum sollama konumunda değildir ve CMOS GaN hala erken araştırmadadır. GaN ile çoklu transistör entegrasyonu zaten mümkündür, ancak birincil uygulama güç anahtarlamasıdır, çünkü faydaların çoğunun gerçekleştirildiği yer burasıdır. Çok sayıda devre için, başarılı bir GaN uygulaması mümkün değildir veya yalnızca niş kullanım alanı vardır. Örneğin bir GaN mikroişlemcisi mevcut teknolojiyle ulaşılabilir bir şey değildir.


Bununla birlikte, güç devrelerinde, mevcut GaN cihazlarıyla gerçekleştirebileceğiniz birçok avantaj vardır:

Daha Hızlı Anahtarlama ( Belirli bir kalıp alanı için daha düşük R DS (açık) )

Büyük güç anahtarlama hızı ile parazitik endüktansı yönetmek büyük sorumluluk getirir. Döngü endüktansları 1 nH'nin üstünde olan ters devre davranışlarını göreceksiniz ve düzeninizde bu kadar endüktanstan kaçınmak çok zor. Birçok silikon devreleri için, göreceli cinayetlerle kurtulabilirsiniz. Bu transistörlerden en iyi şekilde yararlanmak için, güç dönüştürücü düzeninizin tüm yönlerine, silikon tasarımların gerektirdiği ayrıntı düzeyinin çok ötesine dikkat etmeniz gerekir.

Küçük paketler

Paketleme de daha küçüktür, EPC satışı ile esasen lehim darbeli kalıp doğrudan bir PCB'ye aktığınız kalıptır. Örneğin, bu 40V, 16mΩ, 10A cihaz 1,7 mm x 1,1 mm veya bir 0603 rezistörün boyutundan biraz daha büyük. Taşıma ve işleme, daha büyük SMT parçaları yerine veya delikten BGA tarzı teknikler için hazırlanmalıdır.

İyi sıcaklık davranışı

Ve onu kontrol etmek için yanında standart bir silikon parçaya ihtiyacınız varsa ve iyi bir sıcaklık çalışması işe yaramaz.

Alçak geçit sürücü gerilimi

Düşük geçit voltajı tahriki (tipik olarak EPC parçaları için 5V) düşük bir geçit gerilimi ile de eşleştirilmiştir (yukarıda bağlanan kısım için -4V ila + 6V Vgs). Bu, kapı sürücüsünün, cihazın kendisine zarar vermesini engellemek için sabit durması gerektiği ve (yine de) düzeninizin iyi olması gerektiği anlamına gelir. Bu daha iyi bir hale geldi, ancak yine de bir endişe kaynağı.

GaN'ın faydalarını silikon bir parçanın yerine geçmesi olarak görmeyi çok arzu ediyorum. Bu hızda, istikrarlı ve güvenli çalışmayı sağlamak için gereken ilave çalışma ve daha hızlı anahtarlama hızından yararlanmak için gereken çalışma, eski tasarımlardaki silikon FET'lerin yerine geçmeyeceği anlamına gelir. As FakeMoustache bahseder, her zaman en iyi performansı gerekmez (ve bazen transistör bile zayıf nokta değildir).


4

GaN, RF amplifikasyonunda ve güç dönüşümünde (güç kaynaklarını değiştirme) yararlı oluyor . İkinci durumda, Si'den daha az soğutmaya ihtiyacı vardır, ilkinde daha hızlı çalışabilir.

Ancak RF amplifikasyonu için sadece Si ile rekabet etmekle kalmaz, GaA'larla (örn. MMIC'ler) ve SiGe ile rekabet eder. Güç dönüşümü için SiC de ilginç hale geliyor.

Ancak bu sadece maliyet ve rekabet eden teknolojilerle ilgili değil. Hem direnç hem de anahtarlama hızı için en iyi GaN cihazları HEMT'lerdir. GaN HEMT'leri normalde açıktır ve bunları kapatmak için negatif geçit sapması gerektirir. Bu, sisteme maliyet ve karmaşıklık ekler ve ayrıca bir kontrol devresi arızasının, transistörün arızalanmasına neden olabileceği anlamına gelir; bu, HVDC gibi şeylerle ilgileniyorsanız "ilginç" olur.

GaN, büyümeyi zorlaştıran (maliyete ilave olarak) bir hetero-substrat üzerinde büyütülmek zorundadır. Yıllarca süren araştırmalara rağmen, bu hala epilaycıların malzeme kalitesini etkilemekte, performans / ömür boyu değişimin etkileri ile sonuçlanmaktadır.

Bu nedenle GaN, bazı niş uygulamalar için çok faydalı bir teknoloji olabilir ve rakip teknolojilerden daha hızlı gelişirse daha yaygın hale gelir.


Threshold Si alt tabakalarında pozitif eşik gerilimi olan bazı GaN HEMT'lerle çalıştım, ancak henüz piyasaya sürülmüş olduğunu sanmıyorum.


2

Peki neden hala daha çok Si transistör üretiyoruz? GaN transistörü üretimde daha pahalı olsa bile, IC'lerde kullanılıyorsa mutlaka telafi etmeli mi?

"Mutlaka telafi etmesi gerektiğine" inanıyor musunuz? Kesinlikle durum böyle değil.

GaN'ın (Almanca) Wikipedia makalesi, GaN tabanlı cihazlar üretmedeki ana sorunun, büyük tek kristaller üretmenin zorluğudur ve hala zor olduğunu söylüyor. Ayrıca makale örneğin gösterileri kimin bir tek kristal uzunluğu olan sadece 3mm (o çok daha büyük olmayacak büyük olanlar üretmek mümkün olabilir dahi).

Bunun aksine, çapı neredeyse yarım metre (yaklaşık 500 mm) olan ve uzunluğu bunun bir katı olan Si tek kristalleri üretmek mümkündür .

Elde edilebilir tek kristal boyutundaki bu büyük fark, Si teknolojisine hakim olmanın GaN Teknolojisinden çok daha gelişmiş olduğunu açıkça ortaya koyuyor.

Ve tek kristal boyutundan daha fazla özellik var.


Buna inanıyorum, çünkü açılıp kapanırken dağılma enerjisini gösteren bazı grafikler gördüm, ya da tam tersi. Bunun sadece güç transistörleri için olduğunu bilmiyordum.
Casper Vranken

0

Daha önceki cevaplarda bahsedilen yerleşim problemleri, sürücüyü ve transistörü tek bir pakette birleştiren üreticilerle daha az ilişkili hale geliyor, bu nedenle geçit döngüsü ve ortak kaynak endüktansı problemini atlatıyor. Yani, büyük ölçüde, soru şu olmalı: "GaN'ı ne zaman her yerde kullanıyoruz?"

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.