Co to jest azotek galu (GaN)?

Atryd galu jest materiałem półprzewodnikowym o bezpośredniej przerwie pasmowej, używanym do produkcji urządzeń półprzewodnikowych, takich jak tranzystory i diody. Ten wysokowydajny związek po raz pierwszy trafił na rynek energoelektroniczny w latach 90-tych jako istotny składnik diod elektroluminescencyjnych (LED). GaN ma szczególnie szeroką przerwę pasmową wynoszącą 3,2 eV, co sprawia, że jest w stanie obsługiwać bardzo wysokie napięcia i pracować w wysokich temperaturach.

Może być używany w szerokim zakresie zastosowań – od urządzeń optoelektronicznych do komunikacji radiowej o wysokiej częstotliwości – i ciągle znajdowane są nowe zastosowania dla tego wydajnego, bardzo mocnego materiału półprzewodnikowego.

Obecne zastosowania GaN obejmują:

• Lasery i zastosowania w fotonice, takie jak diody elektroluminescencyjne (LED)

• Ogniwa słoneczne do systemów fotowoltaicznych

• Tranzystory odporne na promieniowanie.tranzystory zabezpieczone przed promieniowaniem dla satelitów

• elementy o częstotliwości radiowej, takie jak wzmacniacze mocy RF

• bezprzewodowe przesyłanie energii, e.bezprzewodowe ładowarki do telefonów, laptopów, kontrolerów konsol do gier, pomp serca i innych zastosowań medycznych

• Konwertery DC-DC do zastosowań datacom, np. w farmach serwerów i scentralizowanych centrach telekomunikacyjnych

• LiDar (light detection and ranging), np. urządzenia w samochodach autonomicznych, które mierzą odległości za pomocą laserów

• Obrazowanie i wykrywanie, np. wzmacniacze mocy dla urządzeń mikrofalowych i terahercowych (ThZ)

GaN vs. krzem

Zanim GaN wystartował, krzem był przez długi czas najczęściej stosowanym materiałem do produkcji półprzewodników. Wynalezienie krzemowego tranzystora MOSFET (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) zrewolucjonizowało informatykę i utorowało drogę erze cyfrowej. Teraz, po dekadach dominacji, wydaje się, że krzem może osiągnąć swój szczyt. Według ekspertów w dziedzinie azotku galu, GaN Systems, „osiągamy teoretyczną granicę tego, jak bardzo krzemowe MOSFETy mogą być ulepszone, jak wydajne energetycznie mogą być”.

Spojrzenie na właściwości i możliwości tych dwóch półprzewodników sugeruje, że wysokowydajny nowicjusz ostatecznie zastąpi krzem. Porównując GaN i krzem, dobrym miejscem do rozpoczęcia jest pasmo przenoszenia. Pasmo GaN wynosi 3,4 eV, podczas gdy krzem ma wartość zaledwie 1,12 eV. Oznacza to, że półprzewodniki GaN mogą wytrzymać wyższe napięcia i wyższe temperatury niż MOSFET-y krzemowe. Prąd może płynąć szybciej przez półprzewodniki GaN, zapewniając większą wydajność i mniejsze straty podczas przełączania, gdy są one używane w aplikacjach hardswitchingowych. Mają one mniejszą pojemność niż MOSFET-y krzemowe, co oznacza, że mniej energii jest tracone podczas ładowania i rozładowywania urządzeń. Półprzewodniki GaN zajmują również mniej miejsca na płytkach drukowanych, co umożliwia produkcję coraz mniejszych urządzeń elektronicznych.

Koszt jest kolejnym kluczowym czynnikiem. Możliwa jest hodowla kryształów azotku galu na powierzchni krzemu, dzięki czemu mogą być one produkowane w istniejących zakładach produkcji krzemu i nie wymagają kosztownych, specjalistycznych zakładów produkcyjnych. Chociaż kryształy azotku galu są obecnie nadal droższe w produkcji niż krzem, półprzewodniki GaN obniżają całkowite koszty produkcji systemu poprzez zmniejszenie rozmiaru i kosztów innych komponentów.

Półprzewodniki GaN o doskonałej szybkości i wydajności również sprawiają, że lepiej nadają się do spełnienia przepisów dotyczących zanieczyszczenia środowiska, które są wymagane w celu złagodzenia zmian klimatycznych.

Czy jest coś, czego GaN nie może zrobić? Jednak pomimo jego szerokiego zastosowania w różnych gałęziach przemysłu, nadal istnieje kilka aplikacji, których nie udało się jeszcze opanować.

Pomimo że półprzewodniki GaN stały się niezbędne w optoelektronice i aplikacjach wysokiej częstotliwości, na przykład, tranzystory GaN nie są jeszcze tak wszechstronne jak krzemowe MOSFET-y. Problem polega na tym, że większość tranzystorów GaN to tranzystory pracujące w trybie deplecji lub „normalnie włączone”. Według magazynu Power Electronics, „tranzystory pracujące w trybie zanikowym są niewygodne, ponieważ przy rozruchu konwertera mocy, do urządzeń mocy musi być najpierw przyłożony ujemny bias, w przeciwnym razie dojdzie do zwarcia”. Istnieje również fakt, że obwody elektroniczne zazwyczaj wymagają zarówno tranzystorów pracujących w trybie zanikowym, jak i w trybie wzmocnienia. Obejścia tego problemu zostały już jednak opracowane i z pewnością jest tylko kwestią czasu, kiedy półprzewodniki GaN pojawią się w jeszcze większej liczbie produktów i gałęzi przemysłu.