ข้อดีและข้อเสียของการใช้งานแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

ในขณะที่โลกมองหาโอกาสใหม่ๆ ในด้านเซมิคอนดักเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ยังคงโดดเด่นในฐานะผู้สมัครที่มีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้พลังงานและ RF ในอนาคต อย่างไรก็ตาม สำหรับสิทธิประโยชน์ทั้งหมดที่เสนอให้ ยังคงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ ไม่มีสินค้าประเภท P (ชนิด P) เหตุใด GaN จึงถูกขนานนามว่าเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักถัดไป เหตุใดการไม่มีอุปกรณ์ GaN ชนิด P จึงเป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ และสิ่งนี้มีความหมายต่อการออกแบบในอนาคตอย่างไร

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ มีข้อเท็จจริงสี่ประการที่ยังคงมีอยู่นับตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวแรกออกสู่ตลาด: อุปกรณ์เหล่านั้นจะต้องมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ราคาถูกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้พลังงานมากที่สุด และใช้พลังงานน้อยที่สุด เมื่อพิจารณาว่าข้อกำหนดเหล่านี้มักจะขัดแย้งกัน การพยายามสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แบบที่สามารถตอบสนองความต้องการทั้งสี่นี้จึงเป็นเพียงความฝันเล็กๆ น้อยๆ แต่นั่นไม่ได้หยุดวิศวกรจากการทำทุกอย่างที่ทำได้เพื่อให้มันเกิดขึ้น

ด้วยการใช้หลักการชี้นำทั้งสี่นี้ วิศวกรจึงประสบความสำเร็จในการทำงานต่างๆ ที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ให้สำเร็จ โดยที่คอมพิวเตอร์ลดขนาดจากอุปกรณ์ขนาดห้องไปสู่ชิปที่มีขนาดเล็กกว่าเมล็ดข้าว สมาร์ทโฟนที่ช่วยให้สามารถสื่อสารไร้สายและเข้าถึงอินเทอร์เน็ต และระบบความเป็นจริงเสมือน ซึ่งขณะนี้สามารถสวมใส่และใช้งานได้โดยอิสระจากคอมพิวเตอร์แม่ข่าย อย่างไรก็ตาม ในขณะที่วิศวกรเข้าใกล้ขีดจำกัดทางกายภาพของวัสดุที่ใช้กันทั่วไป เช่น ซิลิคอน การทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและใช้พลังงานน้อยลงจึงกลายเป็นไปไม่ได้

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงค้นหาวัสดุใหม่ๆ อย่างต่อเนื่องซึ่งอาจทดแทนวัสดุทั่วไปดังกล่าวได้ และยังคงจัดหาอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นต่อไป แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่ดึงดูดความสนใจได้มากเมื่อเทียบกับซิลิคอน ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน

กานประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

ประการแรก GaN นำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าซิลิคอนถึง 1,000 เท่า ทำให้สามารถทำงานที่กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ GaN สามารถทำงานด้วยพลังงานที่สูงขึ้นอย่างมากโดยไม่สร้างความร้อนมากนัก และจึงสามารถทำให้เล็กลงได้หากใช้พลังงานเท่าเดิม

แม้ว่าค่าการนำความร้อนของ GaN จะต่ำกว่าของซิลิคอนเล็กน้อย แต่ข้อได้เปรียบด้านการจัดการความร้อนของมันก็เปิดช่องทางใหม่ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีพื้นที่ระดับพรีเมียมและจำเป็นต้องลดโซลูชันการทำความเย็น เช่น การบินและอวกาศและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ และความสามารถของอุปกรณ์ GaN ในการรักษาประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง ยังเน้นย้ำถึงศักยภาพในการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ประการที่สอง bandgap ที่ใหญ่กว่าของ GaN (3.4eV เทียบกับ 1.1eV) ช่วยให้สามารถใช้งานได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นก่อนที่อิเล็กทริกจะสลาย เป็นผลให้ GaN ไม่เพียงแต่สามารถส่งพลังงานได้มากขึ้นเท่านั้น แต่ยังสามารถทำได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพที่สูงขึ้นอีกด้วย

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงยังทำให้ GaN สามารถใช้ที่ความถี่สูงขึ้นได้ ปัจจัยนี้ทำให้ GaN มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแอปพลิเคชันพลังงาน RF ที่ทำงานเหนือช่วง GHz ได้ดี (สิ่งที่ซิลิคอนต้องดิ้นรน)

อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนจะดีกว่า GaN เล็กน้อยในแง่ของการนำความร้อน ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ GaN มีความต้องการความร้อนมากกว่าอุปกรณ์ซิลิคอน เป็นผลให้การขาดการนำความร้อนจำกัดความสามารถในการหดตัวอุปกรณ์ GaN เมื่อทำงานที่กำลังไฟสูง (เนื่องจากจำเป็นต้องใช้วัสดุชิ้นใหญ่เพื่อกระจายความร้อน)

กานส้น Achilles - ไม่มี P-Type

การมีเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถทำงานที่กำลังสูงที่ความถี่สูงได้ถือเป็นเรื่องดี แต่สำหรับข้อดีทั้งหมดที่ GaN มอบให้ มีข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งที่ขัดขวางความสามารถในการแทนที่ซิลิคอนในการใช้งานหลายประเภทอย่างร้ายแรง นั่นก็คือ การไม่มีประเภท P

จุดมุ่งหมายหลักประการหนึ่งของวัสดุที่ค้นพบใหม่เหล่านี้คือการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมากและรองรับกำลังและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และไม่ต้องสงสัยเลยว่าทรานซิสเตอร์ GaN ในปัจจุบันสามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าทรานซิสเตอร์ GaN แต่ละตัวจะมีคุณสมบัติที่น่าประทับใจ แต่ข้อเท็จจริงที่ว่าอุปกรณ์ GaN เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันทั้งหมดเป็นแบบ N-type ทำให้ความสามารถในการมีประสิทธิภาพอย่างมากลดลง

เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนี้ เราต้องดูว่าตรรกะของ NMOS และ CMOS ทำงานอย่างไร ตรรกะ NMOS เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 เนื่องจากมีกระบวนการผลิตและการออกแบบที่เรียบง่าย ด้วยการใช้ตัวต้านทานตัวเดียวที่เชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายไฟและท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์ MOS ชนิด N ประตูของทรานซิสเตอร์นั้นจะสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์ MOS ได้ ซึ่งทำให้เกิดการใช้งานแบบไม่มีประตูได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อรวมกับทรานซิสเตอร์ NMOS อื่นๆ จะสามารถสร้างส่วนประกอบลอจิกทั้งหมดได้ รวมถึง AND, OR, XOR และแลตช์

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเทคนิคนี้จะง่าย แต่ก็ใช้ตัวต้านทานเพื่อจ่ายไฟ ซึ่งหมายความว่าตัวต้านทานจะสูญเสียพลังงานไปมากเมื่อเปิดทรานซิสเตอร์ NMOS สำหรับเกตเดียว การสูญเสียพลังงานนี้มีเพียงเล็กน้อย แต่สามารถเพิ่มขึ้นได้เมื่อปรับขนาดเป็น CPU 8 บิตขนาดเล็ก ซึ่งสามารถทำความร้อนให้กับอุปกรณ์และจำกัดจำนวนอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่บนชิปตัวเดียว