ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) अनुप्रयोगहरूको फाइदा र हानि

संसारले अर्धचालकहरूमा नयाँ अवसरहरू खोज्दै गर्दा,ग्यालियम नाइट्राइडभविष्यको शक्ति र RF अनुप्रयोगहरूको लागि सम्भावित उम्मेद्वारको रूपमा खडा हुन जारी छ। यद्यपि, यसले प्रदान गर्ने सबै फाइदाहरूको लागि, यसले अझै पनि ठूलो चुनौतीको सामना गर्छ; त्यहाँ कुनै P-प्रकार (P-प्रकार) उत्पादनहरू छैनन्। किन GaN लाई अर्को प्रमुख अर्धचालक सामग्रीको रूपमा टाउट गरिएको छ, किन P-प्रकार GaN उपकरणहरूको अभाव एक प्रमुख कमजोरी हो, र भविष्यका डिजाइनहरूका लागि यसको अर्थ के हो?

इलेक्ट्रोनिक्समा, पहिलो इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू बजारमा आएदेखि चार तथ्यहरू कायम छन्: तिनीहरू सकेसम्म सानो, सकेसम्म सस्तो, सकेसम्म धेरै शक्ति प्रदान गर्न, र सकेसम्म थोरै ऊर्जा खपत गर्न आवश्यक छ। यी आवश्यकताहरू प्रायः एक अर्काको विरोधाभासपूर्ण छन् भन्ने कुरालाई ध्यानमा राख्दै, यी चार आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्ने उत्तम इलेक्ट्रोनिक उपकरण सिर्जना गर्ने प्रयास गर्नु अलिकति पाइप सपनाको कुरा हो, तर यसले इन्जिनियरहरूलाई उनीहरूले गर्न सक्ने सबै गर्नबाट रोकेको छैन।

यी चार मार्गनिर्देशन सिद्धान्तहरू प्रयोग गरेर, इन्जिनियरहरूले असम्भव देखिने विभिन्न कार्यहरू पूरा गर्न सफल भएका छन्, कम्प्युटरहरू कोठा आकारका यन्त्रहरूबाट चामलको दानाभन्दा सानो चिप्स, स्मार्टफोनहरू जसले ताररहित सञ्चार र इन्टरनेटमा पहुँच गर्न अनुमति दिन्छ, र भर्चुअल वास्तविकता प्रणालीहरू। जुन अब लगाउन सकिन्छ र होस्ट कम्प्युटरबाट स्वतन्त्र रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। यद्यपि, इन्जिनियरहरूले सिलिकन जस्ता सामान्य रूपमा प्रयोग हुने सामग्रीको भौतिक सीमामा पुग्दा, यन्त्रहरूलाई सानो बनाउन र कम शक्ति प्रयोग गर्नु अब असम्भव बन्दै गएको छ।

नतिजाको रूपमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले निरन्तर नयाँ सामग्रीहरू खोजिरहेका छन् जुन त्यस्ता सामान्य सामग्रीहरू प्रतिस्थापन गर्न सक्षम हुन सक्छन् र अझ प्रभावकारी रूपमा चल्ने साना उपकरणहरू प्रदान गर्न जारी राख्छन्। ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) एक सामग्री हो जसले सिलिकनको तुलनामा स्पष्ट कारणहरूको लागि धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ।

GaNको उच्च दक्षता

पहिलो, GaN ले सिलिकन भन्दा 1,000 गुणा बढी कुशलतापूर्वक बिजुली सञ्चालन गर्दछ, यसलाई उच्च प्रवाहहरूमा सञ्चालन गर्न अनुमति दिन्छ। यसको मतलब यो हो कि GaN यन्त्रहरू धेरै तातो उत्पन्न नगरी उल्लेखनीय रूपमा उच्च शक्तिमा चल्न सक्छन्, र यसरी दिइएको शक्तिको लागि सानो बनाउन सकिन्छ।

यद्यपि GaN को थर्मल चालकता सिलिकन भन्दा थोरै कम छ, यसको थर्मल व्यवस्थापन फाइदाहरूले उच्च-शक्ति इलेक्ट्रोनिक्सको लागि नयाँ बाटोहरू खोल्छ। यो विशेष गरी एप्लिकेसनहरूको लागि महत्त्वपूर्ण छ जहाँ स्पेस प्रिमियममा छ र शीतलन समाधानहरू न्यूनीकरण गर्न आवश्यक छ, जस्तै एयरोस्पेस र अटोमोटिभ इलेक्ट्रोनिक्स, र उच्च तापमानमा प्रदर्शन कायम राख्न GaN यन्त्रहरूको क्षमताले कठोर वातावरणीय अनुप्रयोगहरूको लागि उनीहरूको सम्भावनालाई थप हाइलाइट गर्दछ।

दोस्रो, GaN (3.4eV बनाम 1.1eV) को ठूलो ब्यान्डग्यापले डाइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन अघि उच्च भोल्टेजहरूमा प्रयोग गर्न अनुमति दिन्छ। नतिजाको रूपमा, GaN अधिक शक्ति प्रदान गर्न मात्र सक्षम छैन, तर उच्च दक्षता कायम राख्दै उच्च भोल्टेजहरूमा गर्न सक्छ।

उच्च इलेक्ट्रोन गतिशीलताले GaN लाई उच्च आवृत्तिहरूमा प्रयोग गर्न अनुमति दिन्छ। यो कारकले GHz दायरा भन्दा माथि काम गर्ने RF पावर अनुप्रयोगहरूको लागि GaN महत्वपूर्ण बनाउँछ (सिलिकनसँग संघर्ष गर्ने कुरा)।

यद्यपि, थर्मल चालकताको सन्दर्भमा सिलिकन GaN भन्दा थोरै राम्रो छ, जसको मतलब यो हो कि GaN उपकरणहरूमा सिलिकन उपकरणहरू भन्दा बढी थर्मल आवश्यकताहरू छन्। नतिजाको रूपमा, थर्मल चालकताको कमीले उच्च शक्तिमा सञ्चालन गर्दा GaN यन्त्रहरू संकुचित गर्ने क्षमतालाई सीमित गर्दछ (किनभने तापलाई नष्ट गर्न ठूलो मात्रामा सामग्री आवश्यक पर्दछ)।

GaNको Achilles Heel - P-Type छैन

उच्च फ्रिक्वेन्सीहरूमा उच्च शक्तिमा सञ्चालन गर्न सक्ने अर्धचालकहरू हुनु राम्रो छ, तर GaN ले प्रदान गर्ने सबै फाइदाहरूका लागि, त्यहाँ एउटा प्रमुख कमजोरी छ जसले धेरै अनुप्रयोगहरूमा सिलिकन प्रतिस्थापन गर्ने क्षमतालाई गम्भीर रूपमा बाधा पुर्‍याउँछ: P-प्रकारहरूको अभाव।

निस्सन्देह, यी नयाँ पत्ता लगाइएका सामग्रीहरूको मुख्य उद्देश्य नाटकीय रूपमा दक्षता बढाउनु र उच्च शक्ति र भोल्टेजलाई समर्थन गर्नु हो, र वर्तमान GaN ट्रान्जिस्टरहरूले यो हासिल गर्न सक्छन् भन्ने कुरामा कुनै शंका छैन। यद्यपि, व्यक्तिगत GaN ट्रान्जिस्टरहरूले केही प्रभावशाली गुणहरू प्रस्ताव गर्दा, सबै हालको व्यावसायिक GaN यन्त्रहरू N-प्रकारका हुन् भन्ने तथ्यले तिनीहरूको अत्यन्त प्रभावकारी हुने क्षमतामा सम्झौता गर्छ।

किन यो मामला हो बुझ्नको लागि, हामीले NMOS र CMOS तर्कले कसरी काम गर्छ भनेर हेर्नु पर्छ। NMOS तर्क 1970 र 1980 मा यसको सरल निर्माण प्रक्रिया र डिजाइनको कारण एक धेरै लोकप्रिय प्रविधि थियो। N-प्रकार MOS ट्रान्जिस्टरको पावर सप्लाई र ड्रेन बीच जोडिएको एकल रेसिस्टर प्रयोग गरेर, त्यो ट्रान्जिस्टरको गेटले MOS ट्रान्जिस्टरको ड्रेनमा भोल्टेज नियन्त्रण गर्न सक्षम हुन्छ, प्रभावकारी रूपमा गैर-गेट लागू गर्दै। अन्य NMOS ट्रान्जिस्टरहरूसँग संयोजन गर्दा, AND, OR, XOR र latches सहित सबै तर्क घटकहरू सिर्जना गर्न सम्भव छ।

यद्यपि, यो प्रविधि सरल भए तापनि यसले शक्ति प्रदान गर्न प्रतिरोधकहरू प्रयोग गर्दछ, जसको अर्थ NMOS ट्रान्जिस्टरहरू सक्रिय हुँदा प्रतिरोधकहरूमा धेरै शक्ति बर्बाद हुन्छ। एकल गेटको लागि, यो पावर हानि न्यूनतम छ, तर सानो 8-बिट CPU मा स्केल गर्दा बढ्न सक्छ, जसले यन्त्रलाई तातो बनाउन र एकल चिपमा सक्रिय यन्त्रहरूको संख्या सीमित गर्न सक्छ।