Mengapa kita tidak menggunakan transistor GaN di mana saja?

Telah ada banyak penelitian di sekitar transistor GaN, membuktikan bahwa mereka memiliki on-resistance, gerbang-charge yang sangat rendah dan sangat efektif pada suhu tinggi.

Jadi mengapa kita masih kebanyakan memproduksi transistor Si? Bahkan jika transistor GaN lebih mahal dalam produksi, itu pasti harus mengimbangi jika digunakan di IC?

Saya telah menggunakan GaN secara ekstensif sejak 2013 atau lebih, terutama untuk aplikasi niche yang dapat dengan mudah mengambil manfaat dari satu keuntungan besar yang dimiliki GaN dibandingkan toleransi Si - radiasi. Tidak ada gerbang-oksida untuk menembus dan menderita SEGR, dan penelitian publik telah menunjukkan bagian-bagian yang hidup melewati 1MRad dengan degradasi minimal. Ukuran kecilnya juga luar biasa - dalam ukuran mungkin seperempat atau dua (koin), Anda dapat mengimplementasikan konverter 10A + DC / DC dengan mudah. Ditambah dengan kemampuan untuk membelinya dengan batangan timah bertimbal, dan beberapa pihak ketiga mengemasnya dalam kemasan yang tertutup rapat, mereka adalah masa depan.

Ini lebih mahal, dan "sulit" untuk diajak bekerja sama. Tidak ada gerbang-oksida, hanya persimpangan logam-semikonduktor, sehingga tegangan penggerak gerbang sangat ketat (untuk mode peningkatan seperti yang dibangun oleh EPC) - setiap kelebihan tegangan akan merusak bagian tersebut. Hanya ada beberapa driver gate yang tersedia untuk umum sekarang - orang-orang sekarang mulai membangun lebih banyak driver dan memberi kita lebih banyak pilihan daripada LM5113 Nasional. Implementasi 'kanonik' yang akan Anda lihat di sekitar adalah BGA LM5113 + LGA GaN FETs, karena bahkan kabel ikatan pada paket lain menambahkan terlalu banyak induktansi. Sebagai pengingat, dari sinilah asal dering itu:

Perangkat EGaN EPC memanfaatkan 2DEG dan dapat digolongkan sebagai HEMT dalam aplikasi kami. Di sinilah banyak RDS rendah mereka (on) berasal - biasanya dalam miliohms satu digit. Mereka memiliki kecepatan yang sangat cepat, yang berarti Anda harus sangat menyadari turn-on yang diinduksi efek Miller. Selain itu, seperti yang disebutkan di atas, induktansi parasit dalam loop switching menjadi jauh lebih penting pada kecepatan ini - Anda benar-benar harus memikirkan ketebalan dielektrik dan penempatan komponen untuk menjaga induktansi loop rendah (<3nH baik-baik saja, IIRC, tetapi sebagai dibahas di bawah ini, bisa / harus jauh lebih rendah), seperti juga terlihat di bawah:

Untuk EPC, mereka juga dibangun di pengecoran konvensional, menurunkan biaya. Orang lain termasuk sistem GaN, Triquint, Cree, dll - beberapa di antaranya khusus untuk keperluan RF, sedangkan EPC terutama menargetkan konversi daya / aplikasi terkait (LIDAR, dll.). GaN adalah mode penipisan asli juga, jadi orang memiliki solusi yang berbeda untuk membuat mereka peningkatan, termasuk hanya menumpuk MOSFET P-channel kecil di gerbang untuk membalikkan perilakunya.

Perilaku lain yang menarik adalah "kurangnya" biaya pemulihan terbalik, dengan mengorbankan penurunan dioda lebih tinggi dari silikon ketika di negara itu. Ini semacam hal pemasaran - mereka memberi tahu Anda bahwa "karena tidak ada operator minoritas yang terlibat dalam konduksi dalam mode peningkatan GaN HEMT, tidak ada kerugian pemulihan terbalik". Apa yang mereka sukai adalah bahwa V_ {SD} umumnya naik dalam kisaran 2-3V + dibandingkan dengan 0,8V dalam Si FET - hanya sesuatu yang harus diperhatikan sebagai perancang sistem.

Saya akan menyentuh gerbang lagi juga - driver Anda pada dasarnya harus menyimpan dioda bootstrap ~ 5.2V secara internal untuk mencegah retak gerbang pada bagian-bagian. Setiap kelebihan induktansi pada jejak gerbang dapat menyebabkan dering yang akan menghancurkan bagian, sedangkan rata-rata Si MOSFET Anda biasanya memiliki Vgs sekitar +/- 20V atau lebih. Saya harus menghabiskan banyak waktu dengan pistol udara panas untuk mengganti bagian LGA karena saya mengacaukannya.

Secara keseluruhan, saya penggemar komponen untuk aplikasi saya. Saya tidak berpikir biaya ada di bawah dengan Si belum, tetapi jika Anda melakukan pekerjaan niche atau ingin kinerja setinggi mungkin, GaN adalah cara untuk pergi - pemenang Google Little Box Challenge menggunakan berbasis GaN tahap daya di konverter mereka. Silikon masih murah, mudah digunakan, dan orang memahaminya, terutama dari keandalan POV. Vendor GaN akan berusaha keras untuk membuktikan angka-angka keandalan perangkat mereka, tetapi MOSFET memiliki puluhan tahun pelajaran yang dipetik dan keandalan data teknik pada tingkat fisika perangkat untuk meyakinkan orang-orang bahwa bagian itu tidak akan terbakar seiring waktu.

itu pasti harus mengkompensasi jika digunakan di IC

Ya tidak, itu bukan karena beberapa alasan:

• Transistor GaN tidak dapat dengan mudah dibuat dalam proses pembuatan IC saat ini
• Tidak setiap aplikasi membutuhkan transistor tercepat
• Tidak semua aplikasi membutuhkan resistansi terendah
• Tidak setiap aplikasi membutuhkan perilaku suhu tinggi
• Transistor GaN tidak dapat dibuat sekecil transistor MOS terkecil

Bandingkan dengan SiGe (Silicon Germanium) yang telah tersedia selama bertahun-tahun. Ini memiliki transistor (bipolar) yang lebih cepat. Apakah ini digunakan di mana-mana? Tidak, karena beberapa IC menggunakan transistor bipolar. 99% dari IC saat ini menggunakan transistor CMOS hanya membuat proses produksi SiGe menjadi aplikasi khusus.

Hal yang sama berlaku untuk GaN, itu hanya berguna untuk transistor Power . IC umumnya tidak memerlukan transistor daya semacam ini.

Sirkuit Terpadu GaN

Saat ini GaN tidak dalam posisi untuk menyalip silikon dalam aplikasi IC khas karena litografi dan pemrosesan tidak seatur silikon, dan CMOS GaN masih dalam penelitian awal. Beberapa integrasi transistor sudah dimungkinkan dengan GaN, tetapi aplikasi utamanya adalah power switching karena di situlah sebagian besar manfaat dapat direalisasikan. Untuk sejumlah besar sirkuit, implementasi GaN yang sukses tidak mungkin atau hanya memiliki kegunaan ceruk. Mikrokontroler GaN bukanlah sesuatu yang dapat dicapai dengan teknologi saat ini, misalnya.

Namun, di sirkuit daya, ada banyak keuntungan yang dapat Anda sadari dengan perangkat GaN saat ini:

Faster Switching (Lower R _{DS (on)} untuk area die yang diberikan)

Dengan kecepatan perpindahan daya yang besar, tanggung jawab besar untuk mengelola induktansi parasit. Anda akan melihat perilaku rangkaian yang merugikan dengan induktansi loop di atas 1 nH, dan sangat sulit untuk menghindari induktansi sebanyak itu dalam tata letak Anda. Untuk banyak sirkuit silikon, Anda bisa lolos dengan pembunuhan relatif. Untuk mendapatkan hasil maksimal dari transistor ini, Anda harus memperhatikan semua aspek tata letak konverter daya Anda jauh melampaui tingkat detail yang biasanya diperlukan oleh desain silikon.

Paket yang lebih kecil

Kemasannya juga lebih kecil, dengan EPC menjual apa yang pada dasarnya adalah die-bumped solder yang langsung Anda reflow ke PCB. Misalnya, perangkat 40V, 16mΩ, 10A ini berukuran 1.7mm x 1.1mm, atau sedikit lebih besar dari ukuran resistor 0603. Penanganan dan pemrosesan harus disiapkan untuk teknik gaya BGA alih-alih bagian SMT yang lebih besar atau melalui lubang.

Perilaku suhu yang baik

Dan operasi suhu yang baik tidak berguna jika Anda perlu memiliki bagian silikon standar di sebelahnya untuk mengendalikannya.

Tegangan drive gerbang rendah

Drive tegangan gerbang rendah (biasanya 5V untuk bagian EPC) juga dicocokkan dengan tegangan gerbang maksimum rendah (-4V hingga + 6V Vgs untuk bagian yang terhubung di atas). Ini berarti bahwa driver gerbang Anda harus stabil untuk menjaga perangkat dari kerusakan itu sendiri, dan (sekali lagi) tata letak Anda harus baik. Ini menjadi lebih baik, tetapi masih menjadi perhatian.

Ada banyak keinginan untuk melihat manfaat GaN sebagai pengganti drop-in untuk bagian silikon. Pada tingkat ini, pekerjaan tambahan diperlukan untuk memastikan operasi yang stabil dan aman, dan pekerjaan yang diperlukan untuk mengambil keuntungan dari kecepatan switching yang lebih cepat berarti bahwa itu tidak akan hanya menggantikan FET silikon dalam desain lama. Seperti yang disebutkan oleh FakeMoustache , Anda tidak selalu membutuhkan kinerja terbaik (dan terkadang transistor bahkan bukan titik lemahnya).

GaN menjadi berguna dalam amplifikasi RF dan konversi daya (switching power supply). Dalam kasus yang terakhir ini membutuhkan pendinginan yang jauh lebih sedikit daripada Si, yang sebelumnya dapat berjalan lebih cepat.

Tetapi untuk penggunaan amplifikasi RF, itu tidak hanya bersaing dengan Si, itu bersaing dengan GaA (misalnya MMIC) dan SiGe. Untuk konversi daya, SiC juga menjadi menarik.

Tapi ini bukan hanya tentang biaya dan teknologi yang bersaing. Perangkat GaN terbaik untuk resistensi dan kecepatan switching adalah HEMT. GaN HEMT biasanya perangkat aktif¹ yang membutuhkan bias gerbang negatif untuk mematikannya. Ini menambah biaya dan kompleksitas pada sistem, dan juga berarti bahwa kegagalan rangkaian kontrol dapat menyebabkan kegagalan transistor, yang "menarik" jika Anda berurusan dengan hal-hal seperti HVDC.

GaN harus ditanam pada hetero-substrat, yang membuat pertumbuhan lebih sulit (semakin menambah biaya). Meskipun bertahun-tahun penelitian, ini masih mempengaruhi kualitas material epilayers, dengan implikasi untuk kinerja / pengorbanan seumur hidup.

Jadi GaN cenderung menjadi teknologi yang sangat berguna untuk aplikasi niche tertentu, menjadi lebih utama jika berkembang lebih cepat daripada beberapa teknologi saingan.

¹ Saya telah bekerja dengan beberapa HEMT GaN pada substrat Si yang memiliki tegangan ambang positif, tetapi saya belum berpikir ada yang sampai ke pasar.

Jadi mengapa kita masih kebanyakan memproduksi transistor Si? Bahkan jika transistor GaN lebih mahal dalam produksi, itu pasti harus mengimbangi jika digunakan di IC?

Apa yang membuat Anda percaya bahwa "itu pasti harus memberi kompensasi"? Jelas bukan itu masalahnya.

Artikel Wikipedia bahasa Jerman dari GaN mengatakan bahwa masalah utama dalam memproduksi perangkat berbasis GaN adalah dan masih sulitnya memproduksi kristal tunggal yang besar. Artikel tersebut juga menunjukkan misalnya kristal tunggal yang panjang adalah hanya 3mm (Bahkan jika mungkin untuk menghasilkan yang lebih besar itu tidak akan jauh lebih besar).

Berbeda dengan itu, dimungkinkan untuk menghasilkan kristal tunggal Si yang diameternya hampir setengah meter (sekitar 500mm) dan yang panjangnya merupakan kelipatan dari itu.

Hanya perbedaan besar dalam ukuran kristal tunggal yang tersedia ini memperjelas bahwa menguasai teknologi Si jauh lebih maju daripada Teknologi GaN.

Dan ada lebih banyak aspek daripada ukuran kristal tunggal.

Masalah tata letak yang disebutkan dalam jawaban sebelumnya menjadi kurang relevan dengan produsen mengintegrasikan driver dan transistor dalam satu paket, sehingga menghindari masalah loop gerbang dan induktansi sumber umum. Jadi, sebagian besar, pertanyaannya seharusnya: "Kapan kita menggunakan GaN di mana-mana?"