Чому ми не використовуємо транзистори GaN скрізь?

Навколо транзисторів GaN було проведено багато досліджень, які доводять, що вони мають дуже низький опір, низький заряд затвора і дуже ефективні при високих температурах.

То чому ми все-таки виробляємо транзистори Si? Навіть якщо транзистор GaN дорожчий у виробництві, він, безумовно, повинен компенсувати, якщо він використовується в ІС?

Я широко використовую GaN з 2013 року або більше, в першу чергу для нішевого додатку, який може легко скористатися однією величезною перевагою, яку GaN має над толерантністю до випромінювання. Немає воріт-оксиду, який би проколовся і не страждав від SEGR, і громадські дослідження показали, що частини, що прожили минулий 1MRad, з мінімальною деградацією. Невеликий розмір також дивовижний - розміром може бути чверть чи дві (монета) ви можете легко реалізувати 10А + постійний / постійний перетворювач. У поєднанні з можливістю придбати їх за допомогою свинцевих пайок і деякі сторонні упаковки в герметично упаковані пакети - це майбутнє.

Це дорожче і «хитріше» працювати. Не існує оксиду затвора, лише з'єднання метал-напівпровідник, тому напруга приводу затвора є надзвичайно обмежувальним (для режиму вдосконалення, побудованого EPC) - будь-яка надлишкова напруга зруйнує деталь. Зараз є лише кілька публічно доступних драйверів воріт - люди тільки зараз починають створювати більше драйверів і дають нам більше варіантів, ніж Національний LM5113. "Канонічна" реалізація, яку ви побачите навколо, - це BGA LM5113 + LGA GaN FET, тому що навіть з'єднання проводів в інших пакетах додають занадто велику індуктивність. Нагадування: ось звідки походить цей дзвінок:

Пристрої eGaN EPC використовують 2DEG і їх можна класифікувати як HEMT у наших програмах. Звідси походить багато їх тупо низьких RDS (увімкнено) - зазвичай це в одноцифрових мільйонах. Вони мають неймовірно високі швидкості, а це означає, що ви повинні бути дуже обізнані про включення, спричинене ефектом Міллера. Крім того, як було сказано вище, паразитичні індуктивність в контурі комутації стають набагато критичнішими при цих швидкостях - вам насправді доведеться думати про свою діелектричну товщину та розміщення компонентів, щоб тримати цю індуктивність петлі низькою (<3nH робить добре, IIRC, але як Розглянуто нижче, вона може / повинна бути значно нижчою), як це також видно нижче:

Для EPC вони також будуються на звичайному ливарному виробництві, знижуючи витрати. Інші люди включають системи GaN, Triquint, Cree тощо - деякі з них спеціально призначені для радіочастотних цілей, тоді як EPC в першу чергу орієнтується на програми перетворення потужності / пов'язані з ними програми (LIDAR тощо). GaN також є споконвічно виснаженим режимом, тому люди мають різні рішення для їх удосконалення, включаючи просто укладання невеликого P-канального MOSFET на ворота, щоб інвертувати його поведінку.

Іншою цікавою поведінкою є "відсутність" зворотного заряду відновлення, за рахунок кращого падіння діодного кремнію в такому стані. Це щось маркетингове - вони говорять вам про те, що "оскільки немає міноритарних перевізників, які беруть участь у проведенні режиму GaN HEMT в режимі покращення, немає і зворотних втрат на відновлення". Те, про що вони залякують, - це те, що V_ {SD}, як правило, перебуває в діапазоні 2-3 В + порівняно з 0,8 В у си FET - просто щось, про що слід знати, як системний дизайнер.

Я також торкнуся воріт ще раз - ваші драйвери в основному повинні утримувати внутрішній диод ~ 5,2 В, щоб запобігти розтріскуванню воріт на деталях. Будь-яка надлишкова індуктивність на сліді затвора може призвести до дзвінка, що знищить деталь, тоді як у середнього Si MOSFET зазвичай є Vgs близько +/- 20V або близько того. Мені довелося провести багато годин, коли пістолет з гарячим повітрям замінив частину LGA, тому що я зіпсував це.

В цілому я прихильник деталей для моєї програми. Я не думаю, що вартість поки що знижується на Si, але якщо ви займаєтесь нішевою роботою або хочете максимально високої продуктивності, GaN - це шлях - переможці Google Little Box Challenge використовували GaN-основі Етап потужності в їх перетворювачі. Кремній все ще дешевий, простий у використанні, і люди це розуміють, особливо з надійності POV. Постачальники GaN докладуть великих зусиль, щоб довести свої показники надійності пристроїв, але MOSFET мають багато десятиліть засвоєних уроків і надійність інженерних даних на рівні фізики пристрою, щоб переконати людей, що деталь не вигорає з часом.

він, безумовно, повинен компенсувати, якщо він використовується в ІС

Ну ні, це не з кількох причин:

• Транзистори GaN не можуть бути легко виготовлені в сучасних процесах виробництва ІС
• Не кожна програма потребує найшвидшого транзистора
• Не кожна програма потребує найнижчого рівня стійкості
• Не кожен додаток потребує високої температури
• Транзистори GaN не можуть бути зроблені настільки ж маленькими, як найменший MOS транзистор

Порівняйте його з SiGe (Силіконовий германій) який був доступний протягом багатьох років. Він має більш швидкі (біполярні) транзистори. Він використовується скрізь? Ні, тому що мало ІМС використовують біполярні транзистори. 99% сучасних ІС використовують транзистори CMOS лише завдяки чому виробничі процеси SiGe є нішевим додатком.

Те саме стосується GaN, корисно лише для силових транзисторів . ІМС взагалі не потребують такого типу силових транзисторів.

Інтегральні схеми GaN

В даний час GaN не в змозі обігнати кремній у типових ІС-прикладах, оскільки літографія та обробка не настільки зрілі, як кремній, а CMOS GaN все ще знаходиться в ранніх дослідженнях. Інтеграція декількох транзисторів вже можлива з GaN, але основним застосуванням є комутація живлення, оскільки саме там можна реалізувати більшість переваг. Для великої кількості мікросхем успішна реалізація GaN неможлива або має лише ниші. Мікроконтролер GaN - це щось не досяжне, наприклад, із сучасними технологіями.

Однак у силових схемах є багато переваг, які ви можете реалізувати за допомогою сучасних пристроїв GaN:

Швидше перемикання (нижній R _{DS (увімкнено)} для заданої ділянки штампу)

З великою швидкістю комутації потужності виникає велика відповідальність за управління паразитарною індуктивністю. Ви побачите несприятливу поведінку ланцюга з індуктивністю циклу вище 1 нГ, і це дуже важко уникнути такої великої індуктивності у вашому макеті. Для багатьох кремнієвих схем ви можете піти від відносного вбивства. Для того, щоб максимально використати ці транзистори, ви повинні звернути увагу на всі аспекти компонування силового перетворювача, що значно перевищує рівень деталізації, як правило, вимагається кремнієвими конструкціями.

Менші пакети

Упаковка також менша, і EPC продає ті, що по суті знаходяться у паяному штампі, які ви безпосередньо перезавантажуєте на друковану плату. Наприклад, це пристрій 40В, 16мОм, 10А 40В має 1,7 мм х 1,1 мм або трохи більше розміру резистора 0603. Поводження та обробка повинні бути підготовлені для методик у стилі BGA замість великих деталей SMT або через отвір.

Гарна температурна поведінка

А хороша експлуатація температури марна, якщо вам потрібно мати біля неї стандартну кремнієву частину.

Низька напруга приводу

Привід низької напруги (як правило, 5В для деталей EPC) також відповідає низькій максимальній напрузі затвора (-4V до + 6V Vgs для деталі, пов'язаної вище). Це означає, що ваш драйвер для воріт повинен бути стійким, щоб запобігти пошкодженню пристрою, і (знову ж таки) ваш макет повинен бути хорошим. Це стало краще, але все ще викликає занепокоєння.

Дуже багато бажання бачити переваги GaN як запасну частину кремнієвої деталі. У такому темпі додана робота, необхідна для забезпечення стабільної та безпечної роботи, а робота, необхідна для використання більш швидкої швидкості перемикання, означає, що вона не просто замінить кремнієві БНТ у старих конструкціях. Як зазначає FakeMoustache , вам не завжди потрібні найкращі показники (а іноді транзистор навіть не слабке місце).

GaN стає корисним для посилення ВЧ та перетворення потужності (комутація джерел живлення). В останньому випадку йому потрібно набагато менше охолодження, ніж Si, в першому він може працювати швидше.

Але для використання підсилення РФ воно не просто конкурує з Si, воно конкурує з GaAs (наприклад, MMIC) та SiGe. Для перетворення енергії SiC також стає цікавим.

Але справа не лише у вартості та конкуруючих технологіях. Найкращі пристрої GaN як для опору, так і для швидкості комутації - HEMT. GaN HEMT, як правило, увімкнено пристрої¹, для вимкнення яких потрібні негативні ухили до воріт. Це збільшує вартість та складність системи, а також означає, що поломка ланцюга управління може призвести до виходу з ладу транзистора, що "цікаво", якщо ви маєте справу з такими речами, як HVDC.

GaN потрібно вирощувати на гетеро-субстраті, що робить важче зростання (подальше збільшення витрат). Незважаючи на багаторічні дослідження, це все ще впливає на якість матеріалу епіляторів, що впливає на компроміс між продуктивністю та експлуатацією.

Таким чином, GaN, ймовірно, буде дуже корисною технологією для певних нішевих додатків, стає більш мейнстрімом, якщо він розвивається швидше, ніж деякі конкуруючі технології.

¹ Я працював з деякими GaN HEMT на підкладках Si, які мають позитивну порогову напругу, але я не думаю, що жоден досі не вийшов на ринок.

То чому ми все-таки виробляємо транзистори Si? Навіть якщо транзистор GaN дорожчий у виробництві, він, безумовно, повинен компенсувати, якщо він використовується в ІС?

Що змушує вас вважати, що "це неодмінно має компенсувати"? Це точно не так.

У (німецькій) Вікіпедії-статті GaN сказано, що основною проблемою при виробництві пристроїв на основі GaN були і залишаються труднощі отримання великих монокристалів. У статті також показано, наприклад, монокристал, довжина якого становить лише 3 мм (Навіть якщо це можливо, можна отримати більші, він не буде набагато більшим).

На відміну від цього можна отримати монокристали Si, діаметр яких майже півметра (приблизно 500 мм) і довжина яких кратна цьому.

Якраз ця величезна різниця у розмірі монокристала, що отримується, дає зрозуміти, що освоєння технології Si набагато досконаліше, ніж технологія GaN.

І є більше аспектів, ніж розмір монокристала.

Проблеми з компонуванням, згадані в попередніх відповідях, стають менш актуальними, якщо виробники інтегрують драйвер і транзистор в єдиний пакет, обходячи таким чином проблему петлі затвора і загальної індуктивності джерела. Отже, значною мірою слід поставити запитання: "Коли, коли ми всюди використовуємо GaN?"