Perché non utilizziamo i transistor GaN ovunque?

Sono stati condotti numerosi studi sui transistor GaN, dimostrando che hanno una resistenza di accensione molto bassa, una bassa carica di gate e sono molto efficaci alle alte temperature.

Allora perché produciamo ancora principalmente transistor Si? Anche se il transistor GaN è più costoso in produzione, deve sicuramente compensare se viene utilizzato nei circuiti integrati?

Uso GaN ampiamente dal 2013 o giù di lì, principalmente per un'applicazione di nicchia che può facilmente beneficiare di un enorme vantaggio che GaN ha rispetto alla tolleranza alle radiazioni Si. Non c'è ossido di gate da perforare e soffrire di SEGR, e la ricerca pubblica ha mostrato le parti che vivono oltre 1MRad con un minimo degrado. Anche le dimensioni ridotte sono sorprendenti: nella dimensione di forse un quarto o due (la moneta), puoi implementare facilmente un convertitore 10A + DC / DC. Insieme alla possibilità di acquistarli con barre saldate al piombo e alcune terze parti che li imballano in confezioni ermeticamente sigillate, sono il futuro.

È più costoso e "più complicato" con cui lavorare. Non c'è ossido di gate, solo una giunzione metallo-semiconduttore, quindi la tensione di pilotaggio del gate è altamente restrittiva (per la modalità di potenziamento come costruita da EPC) - qualsiasi tensione in eccesso distruggerà la parte. Al momento ci sono solo una manciata di gate driver disponibili pubblicamente - la gente sta iniziando proprio ora a costruire più driver e darci più opzioni rispetto al National LM5113. L'implementazione 'canonica' che vedrai in giro è il FGA BGA LM5113 + LGA GaN, perché anche i fili di legame in altri pacchetti aggiungono troppa induttanza. Come promemoria, ecco da dove proviene il suono:

I dispositivi eGaN di EPC utilizzano un 2DEG e possono essere classificati come HEMT nelle nostre applicazioni. Questo è da dove provengono molti dei loro RDS (on) stupidamente bassi - di solito sono nei milliohm a una cifra. Hanno velocità incredibilmente elevate, il che significa che devi essere molto consapevole dell'accensione indotta dall'effetto Miller. Inoltre, come accennato in precedenza, le induttanze parassite nel circuito di commutazione diventano molto più critiche a queste velocità: devi effettivamente pensare agli spessori dielettrici e al posizionamento dei componenti per mantenere bassa l'induttanza del circuito (<3nH sta bene, IIRC, ma come discusso di seguito, può / dovrebbe essere molto più basso), come visto anche di seguito:

Per EPC, sono anche costruiti in una fonderia convenzionale, riducendo i costi. Altre persone includono sistemi GaN, Triquint, Cree, ecc. Alcuni di questi sono specificamente per scopi RF, mentre EPC si rivolge principalmente alla conversione di potenza / applicazioni correlate (LIDAR, ecc.). Anche GaN è nativamente in modalità di esaurimento, quindi le persone hanno diverse soluzioni per migliorarle, incluso semplicemente impilare un piccolo MOSFET a canale P sul gate per invertire il suo comportamento.

Un altro comportamento interessante è la "mancanza" della carica di recupero inversa, a scapito di una caduta di diodo superiore al silicio quando si trova in quello stato. È un po 'una cosa di marketing - ti dicono che "poiché non ci sono portatori di minoranza coinvolti nella conduzione in una modalità di miglioramento GaN HEMT, non ci sono perdite di recupero inverse". Quello che in qualche modo sorprendono è che V_ {SD} è generalmente compreso nell'intervallo 2-3 V + rispetto a 0,8 V in un FET Si - solo qualcosa di cui tenere conto come progettista di sistemi.

Toccerò di nuovo anche il gate: i tuoi driver devono sostanzialmente mantenere un diodo bootstrap da ~ 5.2 V internamente per evitare di rompere i cancelli sulle parti. Qualsiasi induttanza in eccesso sulla traccia del gate può provocare uno squillo che distruggerà la parte, mentre il MOSFET Si medio di solito ha un Vg di circa +/- 20 V circa. Ho dovuto passare molte ore con una pistola ad aria calda in sostituzione di una parte LGA perché l'ho incasinata.

Nel complesso, sono un fan delle parti per la mia applicazione. Non credo che il costo sia ancora lì con Si, ma se stai facendo un lavoro di nicchia o desideri le massime prestazioni possibili, GaN è la strada da percorrere: i vincitori del Google Little Box Challenge hanno usato un GaN-based stadio di potenza nel loro convertitore. Il silicio è ancora economico, facile da usare e le persone lo capiscono, soprattutto da un POV di affidabilità. I fornitori GaN stanno facendo di tutto per dimostrare i dati relativi all'affidabilità dei dispositivi, ma i MOSFET hanno molti decenni di lezioni apprese e dati tecnici sull'affidabilità a livello di fisica dei dispositivi per convincere la gente che la parte non si esaurirà nel tempo.

deve sicuramente compensare se viene utilizzato nei circuiti integrati

Bene no, non per diversi motivi:

• I transistor GaN non possono essere facilmente realizzati nei processi di produzione IC odierni
• Non tutte le applicazioni richiedono il transistor più veloce
• Non tutte le applicazioni richiedono la minima resistenza
• Non tutte le applicazioni richiedono il comportamento ad alta temperatura
• I transistor GaN non possono essere piccoli quanto il più piccolo transistor MOS

Confrontalo con SiGe (Silicon Germanium) che è disponibile da molti anni. Ha transistor più veloci (bipolari). È usato ovunque? No, perché pochi circuiti integrati utilizzano transistor bipolari. Il 99% dei circuiti integrati odierni utilizza transistor CMOS solo rendendo i processi di produzione SiGe un'applicazione di nicchia.

Lo stesso vale per GaN, è utile solo per i transistor di potenza . I circuiti integrati in genere non hanno bisogno di questo tipo di transistor di potenza.

Circuiti integrati GaN

Attualmente GaN non è in grado di superare il silicio nelle tipiche applicazioni IC poiché la litografia e l'elaborazione non sono mature come il silicio e CMOS GaN è ancora nelle prime ricerche. L'integrazione di transistor multipli è già possibile con GaN, ma l'applicazione principale è la commutazione di potenza perché è qui che si possono realizzare la maggior parte dei vantaggi. Per un gran numero di circuiti, un'implementazione GaN riuscita non è possibile o ha solo usi di nicchia. Un microcontrollore GaN non è realizzabile con la tecnologia attuale, ad esempio.

Tuttavia, nei circuiti di potenza, ci sono molti vantaggi che puoi realizzare con gli attuali dispositivi GaN:

Cambio più rapido (R _DS inferiore _(acceso) per una data area del dado)

Con una grande velocità di commutazione della potenza, deriva la grande responsabilità di gestire l'induttanza parassitaria. Vedrai un comportamento del circuito avverso con induttanze di loop superiori a 1 nH ed è molto difficile evitare quella induttanza nel tuo layout. Per molti circuiti di silicio, puoi cavartela con un omicidio relativo. Al fine di ottenere il massimo da questi transistor, è necessario prestare attenzione a tutti gli aspetti del layout del convertitore di potenza ben oltre il livello di dettaglio tipicamente richiesto dai progetti di silicio.

Pacchetti più piccoli

Anche la confezione è più piccola, con l'EPC che vende quelli che sono essenzialmente stampati a saldare che si rifluiscono direttamente su un PCB. Ad esempio, questo dispositivo da 40 V, 16 mΩ, 10 A è 1,7 mm x 1,1 mm o un po 'più grande della dimensione di un resistore 0603. La manipolazione e l'elaborazione devono essere preparate per le tecniche di tipo BGA invece di parti SMT più grandi o foro passante.

Buon comportamento alla temperatura

E il buon funzionamento della temperatura è inutile se è necessario disporre di una parte di silicio standard accanto per controllarlo.

Bassa tensione del gate gate

L'azionamento a bassa tensione di gate (in genere 5 V per parti EPC) è anche abbinato a una tensione di gate massima bassa (da -4 V a + 6 V V per la parte collegata sopra). Ciò significa che il gate driver deve essere stabile come una roccia per evitare che il dispositivo si danneggi da solo e (di nuovo) il layout deve essere buono. Questo è migliorato, ma è ancora fonte di preoccupazione.

C'è molto desiderio di vedere i benefici di GaN come un sostituto per un componente in silicone. A questo ritmo, il lavoro aggiuntivo necessario per garantire un funzionamento stabile e sicuro e il lavoro necessario per trarre vantaggio dalla maggiore velocità di commutazione significa che non sostituirà semplicemente i FET al silicio nei vecchi progetti. Come menziona FakeMoustache , non sempre hai bisogno delle massime prestazioni (e talvolta il transistor non è nemmeno il punto debole).

GaN sta diventando utile nell'amplificazione RF e nella conversione di potenza (alimentatori a commutazione). In quest'ultimo caso ha bisogno di molto meno raffreddamento rispetto a Si, nel primo può funzionare più velocemente.

Ma per gli usi dell'amplificazione RF, non si tratta solo di competere con Si, ma anche con GaA (es. MMIC) e SiGe. Per la conversione di potenza, anche SiC sta diventando interessante.

Ma non si tratta solo di costi e tecnologie concorrenti. I migliori dispositivi GaN sia per la resistenza all'accensione che per la velocità di commutazione sono gli HEMT. Gli HEMT GaN sono dispositivi normalmente accesi¹ che richiedono un bias di gate negativo per spegnerli. Ciò aggiunge costo e complessità al sistema e significa anche che un guasto al circuito di controllo può portare al guasto del transistor, il che è "interessante" se si ha a che fare con cose come HVDC.

Il GaN deve essere coltivato su un etero-substrato, il che rende più difficile la crescita (aumentando ulteriormente il costo). Nonostante anni di ricerche, ciò influisce ancora sulla qualità materiale degli epilayer, con implicazioni per il compromesso tra prestazioni e durata.

Quindi GaN è probabilmente una tecnologia molto utile per alcune applicazioni di nicchia, diventando più mainstream se si sviluppa più velocemente di alcune tecnologie concorrenti.

¹ Ho lavorato con alcuni HEMT GaN su substrati in Si che hanno una tensione di soglia positiva, ma non credo che nessuno sia ancora arrivato sul mercato.

Allora perché produciamo ancora principalmente transistor Si? Anche se il transistor GaN è più costoso in produzione, deve sicuramente compensare se viene utilizzato nei circuiti integrati?

Cosa ti fa credere che "sicuramente deve compensare"? Sicuramente non è così.

L'articolo (tedesco) di GaN su Wikipedia afferma che il problema principale nella produzione di dispositivi basati su GaN era ed è tuttora la difficoltà di produrre grandi cristalli singoli. L'articolo mostra anche ad esempio un singolo cristallo la cui lunghezza è di soli 3 mm (anche se potrebbe essere possibile produrne di più grandi non sarà molto più grande).

Al contrario, è possibile produrre cristalli singoli di Si il cui diametro è quasi mezzo metro (circa 500 mm) e la cui lunghezza è un multiplo di quello.

Proprio questa enorme differenza nella dimensione del singolo cristallo ottenibile chiarisce che la padronanza della tecnologia Si è molto più avanzata della tecnologia GaN.

E ci sono più aspetti della dimensione del singolo cristallo.

I problemi di layout menzionati nelle risposte precedenti stanno diventando meno rilevanti con i produttori che integrano il driver e il transistor in un unico pacchetto, aggirando così il problema del loop di gate e dell'induttanza di source comune. Quindi, in larga misura, la domanda dovrebbe essere: "Entro quando utilizzeremo GaN ovunque?"