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Une lutte de pouvoir est en cours dans le monde de l’électronique. Les semi-conducteurs en nitrure de gallium, plus rapides et plus efficaces, ont déjà usurpé les traditionnels MOSFET en silicium dans une variété d’applications. Mais le GaN est-il vraiment prêt à prendre le trône ?
Qu’est-ce que le nitrure de gallium (GaN) ?
Le nitrure de gallium est un matériau semi-conducteur à bande interdite directe utilisé pour fabriquer des dispositifs semi-conducteurs tels que des transistors et des diodes. Ce composé à haute performance a fait son apparition sur le marché de l’électronique de puissance dans les années 1990 en tant que composant essentiel des diodes électroluminescentes (LED). Le GaN possède une bande interdite particulièrement large de 3,2 eV, ce qui le rend capable de supporter des tensions très élevées et de fonctionner à des températures élevées.
Il peut être utilisé pour une large gamme d’applications – des dispositifs optoélectroniques aux radiocommunications à haute fréquence – et de nouvelles utilisations sont constamment trouvées pour ce matériau semi-conducteur efficace et très puissant.
Les applications actuelles du GaN comprennent :
- Les lasers et les applications photoniques telles que les diodes électroluminescentes (LED)
- Les cellules solaires pour les systèmes photovoltaïques
- Les transistors résistants aux rayonnements.transistors durcis aux radiations pour les satellites
- Composants de radiofréquence tels que les amplificateurs de puissance RF
- Transmission d’énergie sans fil, e.par exemple, les chargeurs sans fil pour les téléphones, les ordinateurs portables, les contrôleurs de console de jeux, les pompes cardiaques et d’autres applications médicales
- Convertisseurs DC-DC pour les applications datacom, par exemple les fermes de serveurs et les centres de télécommunications centralisés
- LiDar (détection et télémétrie par la lumière), par exemple. dispositifs dans les voitures autonomes qui mesurent les distances à l’aide de lasers
- Imagerie et détection, par exemple amplificateurs de puissance pour les dispositifs à micro-ondes et à térahertz (ThZ)
GaN contre silicium
Avant l’essor du GaN, le silicium avait longtemps été le matériau le plus utilisé pour la fabrication de semi-conducteurs. L’invention du MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-silicium) au silicium a révolutionné l’informatique et ouvert la voie à l’ère numérique. Aujourd’hui, après des décennies de domination, il semble que le silicium ait atteint son apogée. Selon les experts en nitrure de gallium GaN Systems, « nous atteignons la limite théorique de l’amélioration des MOSFET au silicium, de leur efficacité énergétique ».
Un regard sur les propriétés et les capacités des deux semi-conducteurs suggère effectivement que le nouveau venu à haute performance finira par supplanter le silicium. Pour comparer le GaN et le silicium, la bande interdite est un bon point de départ. La bande interdite du GaN est de 3,4 eV, alors que celle du silicium n’est que de 1,12 eV. Cela signifie que les semi-conducteurs GaN peuvent supporter des tensions plus élevées et survivre à des températures plus élevées que les MOSFET en silicium. Le courant peut circuler plus rapidement dans les semi-conducteurs GaN, ce qui garantit une plus grande efficacité et moins de pertes de commutation lorsqu’ils sont utilisés dans des applications à commutation difficile. Ils ont moins de capacité que les MOSFET au silicium, ce qui signifie que moins de puissance est perdue lorsque les dispositifs sont chargés et déchargés. Les semi-conducteurs GaN prennent également moins de place sur les circuits imprimés, ce qui permet de fabriquer des appareils électroniques toujours plus petits.
Le coût est un autre facteur clé. Il est possible de faire croître des cristaux de nitrure de gallium sur le dessus du silicium, de sorte qu’ils peuvent être produits dans les installations de fabrication de silicium existantes et ne nécessitent pas de sites de production spécialisés coûteux. Bien que les cristaux de nitrure de gallium soient actuellement encore plus chers à produire que le silicium, les semi-conducteurs GaN abaissent les coûts de production globaux d’un système en réduisant la taille et le coût des autres composants.
La vitesse et l’efficacité supérieures des semi-conducteurs GaN les rendent également plus aptes à respecter les réglementations en matière de pollution environnementale qui sont requises pour atténuer le changement climatique.
Y a-t-il quelque chose que le GaN ne peut pas faire ?
En ce qui concerne les dispositifs semi-conducteurs, le GaN semble cocher toutes les cases. Pourtant, malgré son utilisation répandue dans une variété d’industries, il reste encore plusieurs applications qu’il ne maîtrise pas encore.
Si les dispositifs à semi-conducteurs GaN sont devenus indispensables pour les applications optoélectroniques et à haute fréquence, par exemple, les transistors GaN ne sont pas encore aussi polyvalents que les MOSFET au silicium. Le problème réside dans le fait que la plupart des transistors GaN sont des transistors en mode de déplétion ou « normalement actifs ». Selon le magazine Power Electronics, « les transistors en mode déplétion sont peu pratiques car, au démarrage d’un convertisseur de puissance, une polarisation négative doit d’abord être appliquée aux dispositifs de puissance, sinon un court-circuit se produira ». Il y a aussi le fait que les circuits électroniques nécessitent généralement des transistors en mode appauvrissement et en mode enrichissement. Cependant, des solutions de contournement de ce problème ont déjà été développées et ce n’est sûrement qu’une question de temps avant que les semi-conducteurs GaN n’apparaissent dans encore plus de produits et d’industries.