Почему мы не используем транзисторы GaN везде?

Было проведено много исследований вокруг GaN-транзисторов, доказавших, что они имеют очень низкое сопротивление, низкий заряд затвора и очень эффективны при высоких температурах.

Так почему же мы до сих пор производим Si-транзисторы? Даже если GaN-транзистор дороже в производстве, он наверняка должен компенсировать, если он используется в микросхемах?

Я активно использую GaN с 2013 года или около того, в основном для нишевого применения, которое может легко получить одно огромное преимущество, которое GaN имеет по сравнению с Si - радиационной стойкостью. Там нет ворот оксида, чтобы проколоть и пострадать от SEGR, и общественные исследования показали, что детали, прошедшие после 1MRad, с минимальной деградацией. Небольшой размер также удивителен - размером примерно в четверть или две (монета), вы можете легко реализовать преобразователь 10A + DC / DC. В сочетании с возможностью приобретения их с прутками из свинцового припоя и некоторыми сторонними производителями, упаковывающими их в герметически закрытые пакеты, они являются будущим.

Это дороже и сложнее работать. Здесь нет оксида затвора, только переход металл-полупроводник, поэтому напряжение на затворе очень ограничено (для режима расширения, созданного EPC) - любое избыточное напряжение разрушит деталь. На данный момент существует всего несколько общедоступных драйверов для шлюзов - люди только сейчас начинают создавать больше драйверов и предоставляют нам больше возможностей, чем National LM5113. «Каноническая» реализация, которую вы увидите вокруг - это BGA LM5113 + LGA GaN FET, потому что даже соединительные провода в других корпусах добавляют слишком большую индуктивность. Как напоминание, вот откуда этот звон:

Устройства EPC eGaN используют 2DEG и могут классифицироваться как HEMT в наших приложениях. Вот откуда берутся их глупо низкие значения RDS (обычно в однозначных миллиомах). У них невероятно высокие скорости, что означает, что вы должны быть очень осведомлены о включении, вызванном эффектом Миллера. Кроме того, как упомянуто выше, паразитные индуктивности в контуре переключения становятся намного более критичными на этих скоростях - вам действительно нужно подумать о толщине диэлектрика и размещении компонентов, чтобы поддерживать низкую индуктивность контура (<3 нГ, все в порядке, IIRC, но как обсуждаемый ниже, он может / должен быть намного ниже), а также видно ниже:

Для EPC они также построены на обычном литейном заводе, что снижает затраты. Другие люди включают системы GaN, Triquint, Cree и т. Д. - некоторые из них специально для радиочастотных целей, тогда как EPC в первую очередь предназначен для преобразования мощности / связанных приложений (LIDAR и т. Д.). GaN также изначально является режимом истощения, поэтому у людей есть разные решения для их улучшения, включая простое наложение небольшого P-канального MOSFET на шлюз, чтобы инвертировать его поведение.

Другим интересным поведением является «отсутствие» заряда с обратным восстановлением за счет падения диода выше, чем у кремния, когда он находится в этом состоянии. Это своего рода маркетинговая вещь - они говорят вам, что "поскольку в проводимости GaN HEMT с улучшенным режимом нет несущих меньшинств, нет потерь на обратное восстановление". То, что они как бы приукрашивают, так это то, что V_ {SD} обычно находится в диапазоне 2-3 В + по сравнению с 0,8 В в Si FET - просто то, о чем нужно знать как разработчику системы.

Я еще раз коснусь ворот - ваши водители в основном должны держать внутреннюю диод ~ 5.2 В для предотвращения взлома затворов на деталях. Любая избыточная индуктивность на трассе затвора может привести к звонку, который разрушит деталь, тогда как ваш средний Si MOSFET обычно имеет Vgs около +/- 20 В или около того. Мне пришлось потратить много часов на замену детали LGA горячим воздухом, потому что я все испортил.

В целом, я фанат частей для моего приложения. Я не думаю, что стоимость Si пока еще ниже, но если вы занимаетесь нишевой работой или хотите максимально возможной производительности, GaN - это то, что нужно - победители Google Little Box Challenge использовали GaN на основе силовой каскад в их преобразователе. Силикон по-прежнему дешев, прост в использовании, и люди это понимают, особенно благодаря надежности POV. Производители GaN собираются приложить немало усилий, чтобы доказать свои показатели надежности устройств, но MOSFET имеют много десятилетий накопленных уроков и данных по надежности на уровне физики устройств, чтобы убедить людей в том, что деталь не сгорит со временем.

это, безусловно, должно компенсировать, если он используется в IC

Ну нет, это не по нескольким причинам:

• Транзисторы GaN не могут быть легко изготовлены в современных процессах производства микросхем.
• Не каждому приложению нужен самый быстрый транзистор
• Не каждому приложению нужно самое низкое сопротивление
• Не каждому приложению требуется поведение при высокой температуре
• Транзисторы GaN не могут быть такими же маленькими, как самый маленький МОП-транзистор

Сравните его с SiGe (кремниевый германий), который был доступен в течение многих лет. У него более быстрые (биполярные) транзисторы. Это используется везде? Нет, потому что немногие микросхемы используют биполярные транзисторы. 99% современных микросхем используют транзисторы с КМОП-транзистором, что делает процесс производства SiGe нишевым приложением.

То же самое верно для GaN, это полезно только для силовых транзисторов . Микросхемы, как правило, не нуждаются в таких транзисторах.

GaN Интегральные схемы

В настоящее время GaN не в состоянии превзойти кремний в типичных применениях ИС, поскольку литография и обработка не так зрелы, как у кремния, и CMOS GaN все еще находится в ранних исследованиях. Многократная транзисторная интеграция уже возможна с GaN, но основное применение - переключение питания, потому что именно здесь можно реализовать большинство преимуществ. Для большого числа цепей успешная реализация GaN невозможна или имеет только нишевые применения. Например, микроконтроллер GaN не является чем-то достижимым при использовании современных технологий.

Однако в силовых цепях есть много преимуществ, которые вы можете реализовать с современными устройствами GaN:

Более быстрое переключение (более низкое значение R _{DS (включено)} для заданной области кристалла)

С большой скоростью переключения мощности возникает большая ответственность за управление паразитной индуктивностью. Вы увидите неблагоприятное поведение схемы при индуктивности контура выше 1 нГн, и очень трудно избежать такой большой индуктивности в вашей схеме. Для многих кремниевых цепей вы можете избежать относительных убийств. Чтобы получить максимальную отдачу от этих транзисторов, вы должны обратить внимание на все аспекты компоновки вашего силового преобразователя, намного превышающие уровень детализации, обычно требуемый в кремниевых конструкциях.

Меньшие пакеты

Упаковка также меньше, так как EPC продает то, что является, по сути, паяльной матрицей, которую вы непосредственно переплавляете на печатную плату. Например, это устройство 40 В, 16 мОм, 10 А имеет размер 1,7 мм х 1,1 мм или немного больше, чем размер резистора 0603. Обработка и обработка должны быть подготовлены по методике в стиле BGA вместо более крупных деталей SMT или сквозного отверстия.

Хорошее температурное поведение

А хорошая температурная работа бесполезна, если вам нужна стандартная кремниевая деталь для ее контроля.

Низкое напряжение на затворе

Привод с низким напряжением затвора (обычно 5 В для деталей EPC) также соответствует низкому максимальному напряжению затвора (от -4 В до + 6 В Vgs для части, связанной выше). Это означает, что ваш драйвер затвора должен быть устойчивым, чтобы устройство не повредило себя, и (опять же) ваш макет должен быть хорошим. Это стало лучше, но все еще вызывает беспокойство.

Существует большое желание увидеть преимущества GaN в качестве замены кремниевой детали. При такой скорости дополнительная работа, необходимая для обеспечения стабильной и безопасной работы, и работа, необходимая для использования преимущества более высокой скорости переключения, означают, что она не будет просто заменять кремниевые полевые транзисторы в старых конструкциях. Как упоминает FakeMoustache , вам не всегда нужна максимальная производительность (а иногда транзистор даже не является слабым местом).

GaN становится полезным в усилении RF и преобразовании мощности (переключение источников питания). В последнем случае он требует гораздо меньшего охлаждения, чем Si, в первом он может работать быстрее.

Но для использования радиочастотного усиления он не просто конкурирует с Si, он конкурирует с GaAs (например, MMIC) и SiGe. Для преобразования энергии SiC также становится интересным.

Но речь идет не только о стоимости и конкурирующих технологиях. Лучшими устройствами GaN как по сопротивлению, так и по скорости переключения являются HEMT. GaN HEMT обычно являются устройствами, требующими отрицательного смещения затвора для их отключения. Это увеличивает стоимость и сложность системы, а также означает, что отказ цепи управления может привести к отказу транзистора, что «интересно», если вы имеете дело с такими вещами, как HVDC.

GaN должен выращиваться на гетеро-субстрате, что затрудняет рост (еще больше увеличивая стоимость). Несмотря на годы исследований, это все еще влияет на качество материала эпослоев, что влияет на компромисс между производительностью и временем жизни.

Таким образом, GaN, вероятно, будет очень полезной технологией для определенных нишевых приложений, и станет более распространенным, если будет развиваться быстрее, чем некоторые конкурирующие технологии.

«Я работал с некоторыми GaN-HEMT на Si-подложках, которые имеют положительное пороговое напряжение, но я не думаю, что кто-то еще дошел до рынка.

Так почему же мы до сих пор производим Si-транзисторы? Даже если GaN-транзистор дороже в производстве, он наверняка должен компенсировать, если он используется в микросхемах?

С чего вы взяли, что «это обязательно должно компенсировать»? Это определенно не тот случай.

В немецкой википедии, посвященной GaN, говорится, что основной проблемой при производстве устройств на основе GaN была и остается сложность изготовления крупных монокристаллов. В статье также показан, например, монокристалл, длина которого составляет всего 3 мм (даже если бы можно было изготовить более крупные, он не будет намного больше).

В противоположность этому, можно получить монокристаллы Si, диаметр которых составляет почти полметра (около 500 мм) и длина которых кратна этому.

Именно эта огромная разница в доступном размере монокристалла дает понять, что освоение технологии Si намного более продвинуто, чем технология GaN.

И есть больше аспектов, чем размер монокристалла.

Проблемы компоновки, упомянутые в предыдущих ответах, становятся менее актуальными, поскольку производители объединяют драйвер и транзистор в одном корпусе, что позволяет обойти проблему петли затвора и общей индуктивности источника. Таким образом, в значительной степени вопрос должен звучать так: «Когда мы используем GaN везде?»