Cercetări & Dezvoltare

O luptă pentru putere este în curs de desfășurare în lumea electronicii. Semiconductorii din nitrură de galiu, mai rapizi și mai eficienți, au uzurpat deja MOSFET-urile tradiționale din siliciu într-o varietate de aplicații. Dar este GaN cu adevărat pregătit să preia tronul?

Ce este nitrura de galiu (GaN)?

Nitrura de galiu este un material semiconductor cu bandă interzisă directă utilizat pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare, cum ar fi tranzistoarele și diodele. Acest compus de înaltă performanță a apărut pentru prima dată pe piața electronicii de putere în anii 1990 ca o componentă vitală în diodele emițătoare de lumină (LED). GaN are o bandă interzisă deosebit de largă, de 3,2 eV, ceea ce îl face capabil să gestioneze tensiuni foarte mari și să funcționeze la temperaturi ridicate.

Poate fi utilizat pentru o gamă largă de aplicații – de la dispozitive optoelectronice la comunicații radio de înaltă frecvență – și se găsesc în mod constant noi utilizări pentru acest material semiconductor eficient și foarte puternic.

Aplicațiile actuale ale GaN includ:

• Laseri și aplicații fotonice, cum ar fi diodele emițătoare de lumină (LED)

• Celele solare pentru sisteme fotovoltaice

• Radiații.tranzistori rezistenți la radiații pentru sateliți

• Componente de radiofrecvență, cum ar fi amplificatoarele de putere RF

• Transmisii de energie fără fir, e.de exemplu, încărcătoare fără fir pentru telefoane, laptopuri, controlere pentru console de jocuri, pompe cardiace și alte aplicații medicale

• Convertoare DC-DC pentru aplicații de comunicații de date, de exemplu, ferme de servere și centre de telecomunicații centralizate

• LiDar (light detection and ranging), de ex. dispozitive din mașinile autonome care măsoară distanțele cu ajutorul laserelor

• Imagistică și detecție, de exemplu, amplificatoare de putere pentru dispozitive cu microunde și terahertz (ThZ)

GaN vs. siliciu

Înainte ca GaN să ia avânt, siliciul a fost mult timp cel mai utilizat material pentru fabricarea semiconductorilor. Invenția MOSFET-ului de siliciu (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) a revoluționat informatica și a deschis calea pentru era digitală. Acum, după decenii de dominație, se pare că siliciul ar putea să fi atins apogeul. Potrivit experților în nitrura de galiu GaN Systems, „ajungem la limita teoretică privind cât de mult pot fi îmbunătățite MOSFET-urile de siliciu, cât de eficiente din punct de vedere energetic pot fi”.

O privire asupra proprietăților și capacităților celor două semiconductoare sugerează că noul venit de înaltă performanță va înlocui în cele din urmă siliciul. Atunci când se compară GaN și siliciul, banda interzisă este un bun punct de plecare. Bandgap-ul GaN este de 3,4 eV, în timp ce siliciul are o valoare de doar 1,12 eV. Acest lucru înseamnă că semiconductorii GaN pot susține tensiuni mai mari și pot supraviețui la temperaturi mai ridicate decât MOSFET-urile din siliciu. Curentul poate trece mai repede prin semiconductoarele GaN, asigurând o eficiență mai mare și mai puține pierderi de comutare atunci când sunt utilizate în aplicații cu comutare dură. Aceștia au o capacitate mai mică decât MOSFET-urile din siliciu, ceea ce înseamnă că se pierde mai puțină energie atunci când dispozitivele sunt încărcate și descărcate. Semiconductorii GaN ocupă, de asemenea, mai puțin spațiu pe plăcile de circuite, ceea ce face posibilă fabricarea unor aparate electronice din ce în ce mai mici.

Costul este un alt factor cheie. Este posibilă creșterea cristalelor de nitrură de galiu deasupra siliciului, astfel încât acestea pot fi produse în instalațiile existente de fabricare a siliciului și nu necesită locații de producție specializate și costisitoare. Deși cristalele de nitrură de galiu sunt în prezent încă mai scumpe de produs decât siliciul, semiconductoarele GaN reduc costurile totale de producție ale unui sistem prin reducerea dimensiunii și a costului altor componente.

Viteza și eficiența superioară a semiconductoarelor GaN le fac, de asemenea, mai potrivite pentru a respecta reglementările privind poluarea mediului care sunt necesare pentru a atenua schimbările climatice.

Există ceva ce GaN nu poate face?

În ceea ce privește dispozitivele semiconductoare, GaN pare să bifeze toate căsuțele. Cu toate acestea, în ciuda utilizării sale pe scară largă într-o varietate de industrii, există încă mai multe aplicații pe care încă nu le stăpânește.

În timp ce dispozitivele semiconductoare GaN au devenit indispensabile pentru aplicații optoelectronice și de înaltă frecvență, de exemplu, tranzistorii GaN nu sunt încă la fel de versatili ca MOSFET-urile din siliciu. Problema constă în faptul că majoritatea tranzistoarelor GaN sunt tranzistoare în modul depleție sau tranzistoare „normally-on”. Potrivit revistei Power Electronics, „tranzistoarele în modul depleție sunt incomode deoarece, la pornirea unui convertor de putere, trebuie să se aplice mai întâi o polarizare negativă dispozitivelor de putere, altfel se va produce un scurtcircuit”. Există, de asemenea, faptul că circuitele electronice necesită, de obicei, atât tranzistoare în mod depleție, cât și în mod de îmbunătățire. Cu toate acestea, au fost deja dezvoltate soluții de rezolvare a acestei probleme și cu siguranță este doar o chestiune de timp până când semiconductorii GaN vor apărea în și mai multe produse și industrii.

.