Výzkum & Vývoj

Ve světě elektroniky probíhá boj o moc. Rychlejší a účinnější polovodiče na bázi nitridu galia již v řadě aplikací uzurpovaly tradiční křemíkové MOSFETy. Je však GaN skutečně připraven převzít trůn?

Co je to nitrid galia (GaN)?“

Ditrid galia je polovodičový materiál s přímým pásmem, který se používá k výrobě polovodičových zařízení, jako jsou tranzistory a diody. Tato vysoce výkonná sloučenina se poprvé dostala na trh výkonové elektroniky v 90. letech 20. století jako důležitá součást světelných diod (LED). GaN má obzvláště široký pás 3,2 eV, díky čemuž je schopen zpracovávat velmi vysoká napětí a pracovat při vysokých teplotách.

Lze jej použít pro širokou škálu aplikací – od optoelektronických zařízení až po vysokofrekvenční rádiovou komunikaci – a pro tento účinný a vysoce výkonný polovodičový materiál se neustále hledají nová využití.

Současné aplikace GaN zahrnují:

• Lasery a fotonické aplikace, jako jsou diody vyzařující světlo (LED)

• Solární články pro fotovoltaické systémy

• Radioaktivní články.odolné tranzistory pro satelity

• Radiofrekvenční součástky, jako jsou výkonové zesilovače

• Bezdrátový přenos energie, e.např. bezdrátové nabíječky pro telefony, notebooky, ovladače herních konzolí, srdeční pumpy a další lékařské aplikace

• Měniče DC-DC pro datové aplikace, např. serverové farmy a centralizovaná telekomunikační centra

• LiDar (detekce světla a měření vzdálenosti), např. zařízení v autonomních automobilech, která měří vzdálenost pomocí laserů

• Zobrazování a snímání, např. výkonové zesilovače pro mikrovlnná a terahertzová (ThZ) zařízení

GaN vs. křemík

Před nástupem GaN byl křemík dlouho nejpoužívanějším materiálem pro výrobu polovodičů. Vynález křemíkového tranzistoru MOSFET (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) způsobil revoluci ve výpočetní technice a otevřel cestu digitálnímu věku. Nyní, po desetiletích dominance, se zdá, že křemík možná dosáhl svého vrcholu. Podle odborníků na nitrid galia GaN Systems „se dostáváme na teoretickou hranici toho, jak moc lze křemíkové MOSFETy vylepšit, jak moc mohou být energeticky účinné“.

Pohled na vlastnosti a schopnosti obou polovodičů skutečně naznačuje, že vysoce výkonná novinka nakonec křemík vytlačí. Při porovnávání GaN a křemíku je dobré začít pásmovou mezerou. Pásová mezera GaN je 3,4 eV, zatímco křemík má hodnotu pouhých 1,12 eV. To znamená, že polovodiče GaN mohou udržet vyšší napětí a přežít vyšší teploty než křemíkové MOSFETy. Proud může polovodiči GaN procházet rychleji, což zajišťuje vyšší účinnost a menší spínací ztráty při jejich použití v aplikacích s tvrdým spínáním. Mají menší kapacitu než křemíkové MOSFETy, což znamená, že se při nabíjení a vybíjení zařízení ztrácí méně energie. Polovodiče GaN také zabírají méně místa na deskách plošných spojů, což umožňuje vyrábět stále menší elektronické přístroje.

Dalším klíčovým faktorem je cena. Krystaly nitridu galia je možné pěstovat na povrchu křemíku, takže je lze vyrábět ve stávajících křemíkových výrobních zařízeních a nevyžadují nákladné specializované výrobní závody. Přestože výroba krystalů nitridu galia je v současné době stále dražší než výroba křemíku, polovodiče GaN snižují celkové výrobní náklady systému tím, že snižují velikost a náklady na ostatní komponenty.

Vynikající rychlost a účinnost polovodičů GaN je také činí vhodnějšími pro splnění předpisů o znečišťování životního prostředí, které jsou vyžadovány pro zmírnění klimatických změn.

Je něco, co GaN neumí?

Pokud jde o polovodičová zařízení, zdá se, že GaN splňuje všechny požadavky. I přes jeho široké využití v různých průmyslových odvětvích však stále existuje několik aplikací, které ještě nezvládl.

Ačkoli se GaN polovodičové součástky staly nepostradatelnými například pro optoelektronické a vysokofrekvenční aplikace, GaN tranzistory ještě nejsou tak univerzální jako křemíkové MOSFETy. Problém spočívá v tom, že většina GaN tranzistorů je v režimu vyčerpání nebo „normálně zapnutých“ tranzistorů. Podle časopisu Power Electronics jsou „tranzistory v deplečním režimu nevýhodné, protože při spuštění měniče musí být na výkonová zařízení nejprve přivedeno záporné předpětí, jinak dojde ke zkratu“. Je zde také skutečnost, že elektronické obvody obvykle vyžadují jak tranzistory s deplečním, tak se zesilovacím režimem. Nicméně řešení tohoto problému již bylo vyvinuto a je jistě jen otázkou času, kdy se polovodiče GaN objeví v ještě více výrobcích a průmyslových odvětvích.

.