Kutatás & Fejlesztés

Az elektronika világában hatalmi harc folyik. A gyorsabb, hatékonyabb gallium-nitrid félvezetők már számos alkalmazásban kiszorították a hagyományos szilícium MOSFET-eket. De vajon a GaN valóban készen áll arra, hogy elfoglalja a trónt?

Mi az a gallium-nitrid (GaN)?

A gallium-nitrid egy közvetlen sávszélességű félvezető anyag, amelyet félvezető eszközök, például tranzisztorok és diódák gyártására használnak. Ez a nagy teljesítményű vegyület először az 1990-es években jelent meg a teljesítményelektronika piacán, mint a fénykibocsátó diódák (LED-ek) létfontosságú összetevője. A GaN különösen széles, 3,2 eV-os sávhézaggal rendelkezik, így képes nagyon magas feszültségek kezelésére és magas hőmérsékleten való működésre.

Az alkalmazások széles skáláján használható – az optoelektronikai eszközöktől a nagyfrekvenciás rádiótávközlésig -, és folyamatosan új felhasználási lehetőségeket találnak erre a hatékony, nagy teljesítményű félvezető anyagra.

A GaN jelenlegi alkalmazásai közé tartoznak:

• Lézerek és fotonikai alkalmazások, például fénykibocsátó diódák (LED-ek)

• Napelemek fotovoltaikus rendszerekhez

• Sugárzási…sugárzásálló tranzisztorok műholdakhoz

• Rádiófrekvenciás alkatrészek, például RF teljesítményerősítők

• Vezeték nélküli energiaátvitel, e.pl. vezeték nélküli töltők telefonokhoz, laptopokhoz, játékkonzolok vezérlőihez, szívpumpákhoz és egyéb orvosi alkalmazásokhoz

• DC-DC átalakítók adatátviteli alkalmazásokhoz, pl. szerverfarmokhoz és központi távközlési központokhoz

• LiDar (fényérzékelés és távolságmérés), pl. autonóm autókban használt eszközök, amelyek lézerrel mérik a távolságokat

• Képalkotás és érzékelés, pl. teljesítményerősítők mikrohullámú és terahertzes (ThZ) eszközökhöz

GaN vs. szilícium

A GaN térhódítása előtt sokáig a szilícium volt a legszélesebb körben használt anyag a félvezetők gyártásához. A szilícium MOSFET (fém-oxid-szilícium-feleffekt-tranzisztor) feltalálása forradalmasította a számítástechnikát, és megnyitotta az utat a digitális korszak előtt. Most, több évtizedes dominancia után úgy tűnik, hogy a szilícium elérte a csúcspontját. A GaN Systems gallium-nitrid szakértői szerint “elérjük az elméleti határt, hogy a szilícium MOSFET-eket mennyire lehet továbbfejleszteni, mennyire lehetnek energiatakarékosak.”

A két félvezető tulajdonságait és képességeit vizsgálva valóban arra lehet következtetni, hogy a nagy teljesítményű új jövevény végül kiszorítja a szilíciumot. A GaN és a szilícium összehasonlításakor a sávhézag jó kiindulópont. A GaN sávhézaga 3,4 eV, míg a szilíciumé mindössze 1,12 eV. Ez azt jelenti, hogy a GaN félvezetők nagyobb feszültséget és magasabb hőmérsékletet képesek elviselni, mint a szilícium MOSFET-ek. Az áram gyorsabban haladhat a GaN félvezetőkön keresztül, ami nagyobb hatékonyságot és kevesebb kapcsolási veszteséget biztosít, amikor kemény kapcsolású alkalmazásokban használják őket. A szilícium MOSFET-eknél kisebb kapacitással rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy az eszközök töltésekor és kisütésekor kevesebb energia vész el. A GaN félvezetők emellett kevesebb helyet foglalnak el az áramköri lapokon, ami lehetővé teszi az egyre kisebb méretű elektronikus készülékek gyártását.

A költség egy másik kulcsfontosságú tényező. A gallium-nitrid kristályokat a szilícium tetején lehet növeszteni, így a meglévő szilíciumgyártó létesítményekben is előállíthatók, és nem igényelnek költséges speciális gyártóhelyeket. Bár a gallium-nitrid kristályok előállítása jelenleg még mindig drágább, mint a szilíciumé, a GaN félvezetők más alkatrészek méretének és költségének csökkentése révén csökkentik a rendszer teljes gyártási költségét.

A GaN félvezetők kiváló sebessége és hatékonysága miatt jobban megfelelnek az éghajlatváltozás mérsékléséhez szükséges környezetszennyezési előírásoknak is.

Van valami, amit a GaN nem tud?

A félvezető eszközök tekintetében a GaN látszólag mindenre képes. Ám annak ellenére, hogy széles körben használják a legkülönbözőbb iparágakban, még mindig számos olyan alkalmazás van, amelyet még el kell sajátítania.

Míg a GaN félvezető eszközök nélkülözhetetlenné váltak például az optoelektronikai és a nagyfrekvenciás alkalmazásokban, a GaN tranzisztorok még nem olyan sokoldalúak, mint a szilícium MOSFET-ek. A probléma abban rejlik, hogy a legtöbb GaN-tranzisztor kimerülési módú vagy “normálisan bekapcsolt” tranzisztor. A Power Electronics magazin szerint “a kimerülési módú tranzisztorok kényelmetlenek, mert a tápátalakító indításakor először negatív előfeszítést kell alkalmazni a tápegységekre, különben rövidzárlat keletkezik”. Az is tény, hogy az elektronikus áramkörökben jellemzően mind a kimerülési módú, mind az erősítési módú tranzisztorokra szükség van. Erre a problémára azonban már kidolgoztak megoldásokat, és bizonyára csak idő kérdése, hogy a GaN félvezetők még több termékben és iparágban jelenjenek meg.