Se han realizado muchas investigaciones en torno a los transistores GaN, que demuestran que tienen una resistencia de activación muy baja, una carga de compuerta baja y son muy efectivos a altas temperaturas.
Entonces, ¿por qué seguimos produciendo transistores de Si? Incluso si el transistor GaN es más caro en producción, seguramente debe compensarse si se usa en circuitos integrados.
He estado usando GaN ampliamente desde 2013 aproximadamente, principalmente para una aplicación de nicho que puede beneficiarse fácilmente de una gran ventaja que tiene GaN sobre la tolerancia a la radiación de Si. No hay una puerta de óxido para perforar y sufrir SEGR, y la investigación pública ha demostrado que las partes viven más allá de 1MRad con una degradación mínima. El tamaño pequeño también es sorprendente: en el tamaño de aproximadamente un cuarto o dos (la moneda), puede implementar un convertidor de 10A + DC / DC con facilidad. Junto con la posibilidad de comprarlos con barras de soldadura con plomo y algunos terceros que los empaquetan en paquetes herméticamente cerrados, son el futuro.
Es más costoso y más complicado trabajar con él. No hay un óxido de compuerta, solo una unión de metal-semiconductor, por lo que el voltaje de activación de la compuerta es altamente restrictivo (para el modo de mejora construido por EPC): cualquier exceso de voltaje destruirá la pieza. En este momento solo hay un puñado de controladores de puertas disponibles públicamente. La gente está empezando a construir más controladores y nos brinda más opciones que el National LM5113. La implementación 'canónica' que verás es el FET BGA LM5113 + LGA GaN, porque incluso los cables de enlace en otros paquetes agregan demasiada inductancia. Como recordatorio, aquí es de donde viene el timbre:
LosdispositivoseGaNdeEPCutilizanun2DEGypuedenclasificarsecomounHEMTennuestrasaplicaciones.AquíesdondemuchosdesusestúpidamentebajosRDS(on)provienen,porlogeneralestánenlosmiliohmsdeunsolodígito.Tienenvelocidadesincreíblementerápidas,loquesignificaquedebessermuyconscientedelencendidoinducidoporelefectoMiller.Además,comosemencionóanteriormente,lasinductanciasparásitasenelbucledeconmutaciónsevuelvenmuchomáscríticasaestasvelocidades;enrealidad,tienequepensarenelgrosordieléctricoylaubicacióndeloscomponentesparamantenerbajalainductanciadelbucle(<3nHestábien,IIRC,perocomoseexplicaacontinuación,puede/deberíasermuchomenor),comotambiénseveacontinuación:
ParaEPC,tambiénseconstruyenenunafundiciónconvencional,loquereduceloscostos.OtraspersonasincluyenlossistemasGaN,Triquint,Cree,etc.,algunosdeellossonespecíficamenteparafinesdeRF,mientrasqueEPCseenfocaprincipalmenteenlaconversióndeenergía/aplicacionesrelacionadas(LIDAR,etc.).GaNtambiénesnativoenmododeagotamiento,porloquelaspersonastienendiferentessolucionesparamejorarlas,comosimplementeapilarunpequeñoMOSFETdecanalPenlapuertaparainvertirsucomportamiento.
Otrocomportamientointeresanteesla"falta" de carga de recuperación inversa, a costa de una caída de diodo superior al silicio cuando está en ese estado. Es algo así como una cuestión de marketing: te dicen que "debido a que no hay operadores minoritarios involucrados en la conducción en un modo de mejora HEMT de GaN, no hay pérdidas de recuperación inversa". Lo que sí que ignoran es que V_ {SD} generalmente está en el rango de 2-3 V + en comparación con 0.8V en un FET de Si, algo que hay que tener en cuenta como diseñador de sistemas.
Volveré a tocar la compuerta también. Básicamente, los controladores deben mantener un diodo bootstrap de ~ 5.2V internamente para evitar que se rompan las compuertas de las piezas. Cualquier exceso de inductancia en la traza de la puerta puede provocar que suene la pieza, mientras que su MOSFET de Si promedio generalmente tiene un Vgs alrededor de +/- 20V o menos. Tuve que pasar muchas horas con una pistola de aire caliente reemplazando una parte de LGA porque lo estropeé.
En general, soy un fan de las partes para mi aplicación. No creo que el costo esté aún más bajo con Si, pero si está haciendo un trabajo de nicho o desea el rendimiento más alto posible, GaN es el camino a seguir: los ganadores del Google Little Box Challenge utilizaron un sistema basado en GaN. Etapa de potencia en su convertidor. El silicio sigue siendo barato, fácil de usar y la gente lo entiende, especialmente desde un punto de vista de confiabilidad. Los proveedores de GaN hacen todo lo posible para demostrar las cifras de confiabilidad de sus dispositivos, pero los MOSFET tienen muchas décadas de datos de ingeniería de confiabilidad y lecciones aprendidas en el nivel de física del dispositivo para convencer a la gente de que la parte no se quemará con el tiempo. p>
seguramente debe compensar si se usa en IC's
Pues no, no lo hace por varias razones:
Compárelo con SiGe (Silicon Germanium) que ha estado disponible durante muchos años. Tiene transistores más rápidos (bipolares). ¿Se usa en todas partes? No, porque pocos circuitos integrados utilizan transistores bipolares. El 99% de los circuitos integrados actuales utilizan transistores CMOS, lo que hace que los procesos de fabricación de SiGe sean una aplicación específica.
Lo mismo es cierto para GaN, solo es útil para transistores de potencia . Los circuitos integrados generalmente no necesitan este tipo de transistores de potencia.
Actualmente, GaN no está en posición de adelantar al silicio en aplicaciones típicas de IC, ya que la litografía y el procesamiento no están tan maduros como el silicio, y el CMOS GaN aún se encuentra en una investigación inicial. La integración múltiple de transistores ya es posible con GaN, pero la aplicación principal es la conmutación de energía porque es allí donde se pueden obtener la mayoría de los beneficios. Para una gran cantidad de circuitos, una implementación GaN exitosa no es posible o solo tiene usos específicos. Un microcontrolador GaN no es algo que se pueda lograr con la tecnología actual, por ejemplo.
Sin embargo, en los circuitos de alimentación, hay muchas ventajas que puede obtener con los dispositivos GaN actuales:
Con una gran velocidad de conmutación de potencia viene una gran responsabilidad para manejar la inductancia parásita. Verá un comportamiento de circuito adverso con inductancias de bucle por encima de 1 nH, y es muy difícil evitar tanta inductancia en su diseño. Para muchos circuitos de silicio, puedes escapar con un asesinato relativo. Para aprovechar al máximo estos transistores, debe prestar atención a todos los aspectos de la disposición de su convertidor de energía mucho más allá del nivel de detalle que normalmente requieren los diseños de silicio.
El empaque también es más pequeño, con EPC vendiendo lo que son esencialmente troqueles de soldadura soldada que usted refluye directamente a una PCB. Por ejemplo, este dispositivo 40V, 16mΩ, 10A es de 1,7 mm x 1.1 mm, o un poco más grande que el tamaño de una resistencia 0603. La manipulación y el procesamiento deben estar preparados para técnicas de estilo BGA en lugar de piezas SMT más grandes o a través del orificio.
Y una buena operación de temperatura es inútil si necesita tener una parte de silicona estándar al lado para controlarla.
El controlador de voltaje de puerta baja (típicamente 5V para piezas EPC) también se combina con un voltaje de puerta máximo bajo (-4V a + 6V Vgs para la parte enlazada anteriormente). Esto significa que el controlador de su puerta debe ser firme para evitar que el dispositivo se dañe a sí mismo, y (nuevamente) su diseño debe ser bueno. Esto ha mejorado, pero sigue siendo una preocupación.
Hay muchas ganas de ver los beneficios de GaN como un reemplazo directo de una pieza de silicona. A este ritmo, el trabajo adicional necesario para garantizar un funcionamiento estable y seguro, y el trabajo necesario para aprovechar la mayor velocidad de conmutación significa que no reemplazará simplemente los FET de silicio en los diseños antiguos. Como menciona FakeMoustache , no siempre se necesita un rendimiento superior (y, a veces, el transistor no es ni siquiera el punto débil ).
GaN se está volviendo útil en Amplificación de RF y conversión de potencia (fuentes de alimentación de conmutación). En el último caso, necesita mucho menos enfriamiento que Si, en el primero puede funcionar más rápido.
Pero para los usos de amplificación de RF, no solo compite con Si, sino que compite con GaAs (por ejemplo, MMIC) y SiGe. Para la conversión de energía, SiC también se está volviendo interesante.
Pero no se trata solo del costo y las tecnologías de la competencia. Los mejores dispositivos GaN tanto para la resistencia de encendido como para la velocidad de conmutación son los HEMT. Las HEMT de GaN son dispositivos normalmente encendidos¹ que requieren un sesgo de compuerta negativo para desactivarlas. Esto agrega costo y complejidad al sistema, y también significa que una falla en el circuito de control puede hacer que el transistor falle, lo que es "interesante" si se trata de cosas como HVDC.
GaN se debe cultivar en un hetero-sustrato, lo que dificulta el crecimiento (lo que aumenta el costo). A pesar de los años de investigación, esto todavía afecta la calidad del material de las depiladoras, con implicaciones para el rendimiento / la compensación de por vida.
Es probable que GaN sea una tecnología muy útil para ciertas aplicaciones de nicho, y se generalice si se desarrolla más rápido que algunas tecnologías rivales.
workedHe trabajado con algunos HEMT de GaN en sustratos de Si que tienen un voltaje de umbral positivo, pero no creo que ninguno haya llegado al mercado.
Entonces, ¿por qué seguimos produciendo transistores de Si? Incluso si el transistor GaN es más caro en producción, seguramente debe compensarse si se usa en circuitos integrados.
¿Qué te hace creer que "seguramente debe compensar"? Definitivamente no es el caso.
El artículo (alemán) de Wikipedia de GaN dice que el problema principal en la producción de dispositivos basados en GaN era y sigue siendo la dificultad de producir cristales individuales grandes. El artículo también muestra, por ejemplo, un solo cristal cuya longitud es solo 3 mm (incluso si es posible producir más grandes, no será mucho más grande).
En contraste con esto, es posible producir cristales simples de Si cuyo diámetro es casi medio metro (aprox. 500 mm) y cuya longitud es un múltiplo de eso.
Solo esta enorme diferencia en el tamaño de cristal único que se obtiene deja en claro que dominar la tecnología de Si es mucho más avanzado que la tecnología de GaN.
Y hay más aspectos que el tamaño de un solo cristal.
Lea otras preguntas en las etiquetas transistors efficiency