Dlaczego nie wszędzie używamy tranzystorów GaN?

Przeprowadzono wiele badań dotyczących tranzystorów GaN, które dowodzą, że mają one bardzo niską rezystancję, niski ładunek bramki i są bardzo skuteczne w wysokich temperaturach.

Dlaczego więc nadal produkujemy głównie tranzystory Si? Nawet jeśli tranzystor GaN jest droższy w produkcji, z pewnością musi to zrekompensować, jeśli jest używany w układach scalonych?

Używam GaN intensywnie od około 2013 roku, przede wszystkim do niszowego zastosowania, które może z łatwością skorzystać z jednej ogromnej przewagi GaN nad tolerancją na promieniowanie Si. SEGR nie ma tlenku wrotnego i cierpi z powodu SEGR, a publiczne badania wykazały, że części żyjące po 1MRad z minimalną degradacją. Niewielki rozmiar jest również niesamowity - w wielkości może jednej czwartej lub dwóch (moneta) można z łatwością zaimplementować przetwornik 10 A + DC / DC. W połączeniu z możliwością zakupu ich z prętami do lutowania ołowiowego i niektórymi stronami trzecimi pakującymi je w hermetycznie zamknięte opakowania, są przyszłością.

Jest droższy i „trudniejszy” do pracy. Nie ma bramki-tlenku, tylko połączenie metal-półprzewodnik, więc napięcie napędu bramki jest bardzo restrykcyjne (dla trybu ulepszenia zbudowanego przez EPC) - każde nadmierne napięcie zniszczy część. Obecnie dostępnych jest tylko kilka publicznie dostępnych sterowników bramek - ludzie dopiero zaczynają tworzyć więcej sterowników i dają nam więcej opcji niż National LM5113. „Kanoniczną” implementacją, którą zobaczysz, są tranzystory FET BGA LM5113 + LGA GaN, ponieważ nawet druty łączące w innych pakietach dodają zbyt dużą indukcyjność. Dla przypomnienia oto, skąd pochodzi ten dzwonek:

Urządzenia eGaN EPC wykorzystują 2DEG i mogą być klasyfikowane jako HEMT w naszych aplikacjach. Stąd pochodzi wiele ich głupio niskich RDS (on) - zwykle w postaci jednocyfrowych miliohmów. Mają niewiarygodnie duże prędkości, co oznacza, że ​​musisz być bardzo świadomy włączenia indukowanego efektem Millera. Dodatkowo, jak wspomniano powyżej, indukcyjności pasożytnicze w pętli przełączającej stają się znacznie bardziej krytyczne przy tych prędkościach - tak naprawdę trzeba pomyśleć o grubości dielektrycznej i rozmieszczeniu komponentów, aby utrzymać niską indukcyjność pętli (<3nH ma się dobrze, IIRC, ale omówione poniżej, może / powinno być znacznie niższe), jak pokazano poniżej:

W przypadku EPC są one również budowane w konwencjonalnej odlewni, co obniża koszty. Inni ludzie to systemy GaN, Triquint, Cree itp. - niektóre z nich są specjalnie do celów RF, podczas gdy EPC przede wszystkim dotyczy konwersji mocy / powiązanych aplikacji (LIDAR itp.). GaN ma również tryb natywnego wyczerpywania, więc ludzie mają różne rozwiązania, aby je ulepszyć, w tym po prostu układając na bramce mały MOSFET z kanałem P, aby odwrócić jego zachowanie.

Innym interesującym zachowaniem jest „brak” odwrotnego ładunku odzysku kosztem wyższego niż krzemu spadku diody w tym stanie. To rodzaj marketingu - mówią ci, że „ponieważ nie ma żadnych mniejszościowych przewoźników zaangażowanych w przewodzenie w trybie ulepszania GaN HEMT, nie ma odwrotnych strat odzyskiwania”. Ich połysk polega na tym, że V_ {SD} jest ogólnie w zakresie 2-3 V + w porównaniu do 0,8 V w Si FET - tylko coś, o czym należy pamiętać jako projektant systemu.

Jeszcze raz dotknę bramy - twoi kierowcy zasadniczo muszą trzymać wewnętrznie diodę rozruchową ~ 5,2 V, aby zapobiec pękaniu bramek na częściach. Każda nadmierna indukcyjność na śladzie bramki może prowadzić do dzwonienia, które zniszczy część, podczas gdy przeciętny Si MOSFET zwykle ma Vg około +/- 20 V. Musiałem spędzić wiele godzin z pistoletem na gorące powietrze zastępującym część LGA, ponieważ popsułem to.

Ogólnie jestem fanem części do mojej aplikacji. Nie sądzę, aby koszt Si spadł, ale jeśli wykonujesz niszową pracę lub chcesz uzyskać najwyższą możliwą wydajność, GaN jest najlepszym rozwiązaniem - zwycięzcy Google Little Box Challenge wykorzystali GaN stopień mocy w konwerterze. Krzem jest wciąż tani, łatwy w użyciu i ludzie go rozumieją, zwłaszcza z niezawodnego POV. Dostawcy GaN dołożą wszelkich starań, aby udowodnić swoją niezawodność urządzenia, ale MOSFET mają wiele dziesięcioleci zdobytych doświadczeń i inżynierii niezawodności na poziomie fizyki urządzeń, aby przekonać ludzi, że ta część nie wypali się z czasem.

z pewnością musi to zrekompensować, jeśli jest używane w układach scalonych

Cóż, nie, nie z kilku powodów:

• Tranzystory GaN nie mogą być łatwo wykonane w dzisiejszych procesach wytwarzania układów scalonych
• Nie każda aplikacja potrzebuje najszybszego tranzystora
• Nie każda aplikacja wymaga najniższego oporu
• Nie każda aplikacja wymaga zachowania w wysokiej temperaturze
• Tranzystory GaN nie mogą być tak małe jak najmniejszy tranzystor MOS

Porównaj go z SiGe (krzem krzemowy), który jest dostępny od wielu lat. Ma szybsze (bipolarne) tranzystory. Czy jest używany wszędzie? Nie, ponieważ niewiele układów scalonych używa tranzystorów bipolarnych. 99% współczesnych układów scalonych używa tranzystorów CMOS, dzięki czemu procesy produkcyjne SiGe są niszowe.

To samo dotyczy GaN, jest użyteczne tylko w przypadku tranzystorów mocy . Układy scalone zasadniczo nie potrzebują tego rodzaju tranzystorów mocy.

Układy scalone GaN

Obecnie GaN nie jest w stanie wyprzedzić krzemu w typowych zastosowaniach układów scalonych, ponieważ litografia i przetwarzanie nie są tak dojrzałe jak krzem, a CMOS GaN jest wciąż we wczesnych badaniach. Integracja wielu tranzystorów jest już możliwa z GaN, ale podstawową aplikacją jest przełączanie mocy, ponieważ tam można uzyskać większość korzyści. W przypadku dużej liczby obwodów udana implementacja GaN nie jest możliwa lub ma jedynie zastosowania niszowe. Na przykład mikrokontroler GaN nie jest osiągalny przy obecnej technologii.

Jednak w obwodach mocy istnieje wiele zalet, które można uzyskać dzięki obecnym urządzeniom GaN:

Szybsze przełączanie (Lower R _{DS (on)} dla danego obszaru matrycy)

Z wielką prędkością przełączania mocy wiąże się wielka odpowiedzialność za zarządzanie pasożytniczą indukcyjnością. Zobaczysz niekorzystne zachowanie obwodu przy indukcyjności pętli powyżej 1 nH i bardzo trudno jest uniknąć takiej indukcyjności w swoim układzie. W przypadku wielu obwodów krzemowych można uniknąć względnego morderstwa. Aby uzyskać jak najwięcej z tych tranzystorów, należy zwrócić uwagę na wszystkie aspekty układu przetwornicy mocy znacznie wykraczające poza poziom szczegółowości wymagany zwykle w konstrukcjach krzemowych.

Mniejsze paczki

Opakowanie jest również mniejsze, ponieważ EPC sprzedaje matrycę z wypukłymi lutami, którą bezpośrednio wlewasz na płytkę drukowaną. Na przykład to urządzenie 40 V, 16 mΩ, 10 A. ma 1,7 mm x 1,1 mm lub jest nieco większe niż rezystor 0603. Obsługa i przetwarzanie muszą być przygotowane dla technik w stylu BGA zamiast większych części SMT lub otworów przelotowych.

Dobre zachowanie temperaturowe

Dobra praca w temperaturze jest bezużyteczna, jeśli trzeba mieć obok niej standardową część silikonową, aby ją kontrolować.

Niskie napięcie napędu bramki

Napęd niskiego napięcia bramki (zwykle 5 V dla części EPC) jest również dopasowany do niskiego maksymalnego napięcia bramki (-4 V do + 6 V Vg dla części połączonej powyżej). Oznacza to, że sterownik bramy musi być stabilny, aby urządzenie nie uszkodziło się, a (ponownie) układ musi być dobry. Poprawiło się to, ale wciąż stanowi problem.

Istnieje wiele pragnień, aby dostrzec zalety GaN jako zastępczego zamiennika części silikonowej. W tym tempie dodatkowa praca potrzebna do zapewnienia stabilnej i bezpiecznej pracy, a praca potrzebna do skorzystania z większej prędkości przełączania oznacza, że ​​nie zastąpi ona po prostu krzemowych tranzystorów polowych w starych konstrukcjach. Jak wspomina FakeMoustache , nie zawsze potrzebujesz najwyższej wydajności (a czasami tranzystor nie jest nawet słabym punktem).

GaN staje się przydatny w wzmacnianiu RF i konwersji mocy (przełączanie zasilaczy). W tym drugim przypadku wymaga znacznie mniej chłodzenia niż Si, w pierwszym przypadku może działać szybciej.

Ale w zastosowaniach związanych ze wzmacnianiem RF nie tylko konkuruje z Si, ale także z GaA (np. MMIC) i SiGe. W przypadku konwersji mocy SiC staje się również interesujący.

Ale nie chodzi tylko o koszty i konkurencyjne technologie. Najlepszymi urządzeniami GaN pod względem rezystancji i prędkości przełączania są HEMT. GaN HEMT to urządzenia normalnie włączone¹, które wymagają ujemnego odchylenia bramki, aby je wyłączyć. Zwiększa to koszt i złożoność systemu, a także oznacza, że ​​awaria obwodu sterującego może doprowadzić do awarii tranzystora, co jest „interesujące”, jeśli masz do czynienia z takimi urządzeniami jak HVDC.

GaN należy hodować na hetero-podłożu, co utrudnia wzrost (dodatkowo zwiększając koszty). Pomimo wieloletnich badań nadal wpływa to na jakość materiału warstw, co ma wpływ na kompromis między wydajnością a trwałością.

Tak więc GaN prawdopodobnie będzie bardzo przydatną technologią dla niektórych niszowych zastosowań, stając się bardziej głównym nurtem, jeśli rozwija się szybciej niż niektóre konkurencyjne technologie.

¹ Pracowałem z niektórymi GaN HEMT na podłożach Si, które mają dodatnie napięcie progowe, ale nie sądzę, aby jakikolwiek jeszcze trafił na rynek.

Dlaczego więc nadal produkujemy głównie tranzystory Si? Nawet jeśli tranzystor GaN jest droższy w produkcji, z pewnością musi to zrekompensować, jeśli jest używany w układach scalonych?

Co sprawia, że ​​uważasz, że „z pewnością musi to zrekompensować”? Z pewnością tak nie jest.

(Niemiecki) artykuł GaN na Wikipedii mówi, że głównym problemem w produkcji urządzeń opartych na GaN była i nadal jest trudność w wytwarzaniu dużych monokryształów. W artykule pokazano również na przykład pojedynczy kryształ, którego długość wynosi zaledwie 3 mm (nawet jeśli możliwe byłoby wyprodukowanie większych, nie będzie on znacznie większy).

W przeciwieństwie do tego można wytwarzać monokryształy Si, których średnica wynosi prawie pół metra (ok. 500 mm) i którego długość jest wielokrotnością tej wielkości.

Już ta ogromna różnica w możliwym do uzyskania rozmiarze pojedynczego kryształu wyraźnie pokazuje, że opanowanie technologii Si jest znacznie bardziej zaawansowane niż technologia GaN.

I jest więcej aspektów niż rozmiar pojedynczego kryształu.

Problemy z układem wspomniane we wcześniejszych odpowiedziach stają się coraz mniej istotne, ponieważ producenci integrują sterownik i tranzystor w jednym pakiecie, omijając w ten sposób problem pętli bramki i wspólnej indukcyjności źródła. Tak więc w dużym stopniu powinno być następujące pytanie: „Do kiedy wszędzie używamy GaN?”