질화갈륨(GaN) 애플리케이션의 장점과 단점

세계가 반도체에서 새로운 기회를 모색하는 가운데,갈륨 질화물는 미래의 전력 및 RF 애플리케이션을 위한 잠재적인 후보로 계속해서 두각을 나타내고 있습니다. 그러나 그것이 제공하는 모든 이점에도 불구하고 여전히 큰 과제에 직면해 있습니다. P형(P형) 제품이 없습니다. GaN이 차기 주요 반도체 재료로 거론되는 이유는 무엇이며, P형 GaN 장치가 없다는 것이 주요 단점인 이유는 무엇이며, 이것이 미래 설계에 어떤 의미를 갖습니까?

전자 제품에서는 최초의 전자 장치가 시장에 출시된 이후로 네 가지 사실이 지속되었습니다. 즉, 가능한 한 작고, 가능한 한 저렴해야 하며, 가능한 한 많은 전력을 제공하고 가능한 한 적은 전력을 소비해야 합니다. 이러한 요구 사항이 서로 모순되는 경우가 많다는 점을 고려할 때 이러한 네 가지 요구 사항을 충족할 수 있는 완벽한 전자 장치를 만들려는 노력은 다소 헛된 꿈이지만 엔지니어가 이를 실현하기 위해 할 수 있는 모든 노력을 기울이는 것을 막지는 못했습니다.

엔지니어들은 이 네 가지 기본 원칙을 사용하여 방 크기의 장치에서 쌀알보다 작은 칩으로 축소된 컴퓨터, 무선 통신과 인터넷 액세스가 가능한 스마트폰, 가상 현실 시스템 등 불가능해 보이는 다양한 작업을 수행하는 데 성공했습니다. 이제 호스트 컴퓨터와 독립적으로 착용하고 사용할 수 있습니다. 그러나 엔지니어들이 실리콘과 같이 일반적으로 사용되는 재료의 물리적 한계에 접근함에 따라 장치를 더 작게 만들고 더 적은 전력을 사용하는 것이 이제 불가능해지고 있습니다.

결과적으로 연구자들은 이러한 일반적인 재료를 대체할 수 있는 새로운 재료를 끊임없이 찾고 있으며 더 효율적으로 작동하는 더 작은 장치를 계속 제공하고 있습니다. 질화갈륨(GaN)은 분명한 이유로 실리콘에 비해 많은 관심을 끌고 있는 재료 중 하나입니다.

GaN뛰어난 효율성

첫째, GaN은 실리콘보다 1,000배 더 효율적으로 전기를 전도하므로 더 높은 전류에서 작동할 수 있습니다. 이는 GaN 장치가 많은 열을 발생시키지 않고 훨씬 더 높은 전력에서 작동할 수 있으므로 동일한 전력에 대해 더 작게 만들 수 있음을 의미합니다.

GaN의 열 전도성은 실리콘보다 약간 낮지만 열 관리 이점은 고전력 전자 장치의 새로운 길을 열어줍니다. 이는 항공우주 및 자동차 전자 장치와 같이 공간이 부족하고 냉각 솔루션을 최소화해야 하는 응용 분야에 특히 중요하며, 고온에서 성능을 유지하는 GaN 장치의 능력은 열악한 환경 응용 분야에 대한 잠재력을 더욱 강조합니다.

둘째, GaN의 더 큰 밴드갭(3.4eV 대 1.1eV)으로 인해 절연 파괴가 발생하기 전에 더 높은 전압에서 사용할 수 있습니다. 결과적으로 GaN은 더 많은 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 더 높은 효율을 유지하면서 더 높은 전압에서도 그렇게 할 수 있습니다.

높은 전자 이동도 덕분에 GaN을 더 높은 주파수에서 사용할 수도 있습니다. 이러한 요인으로 인해 GaN은 GHz 범위(실리콘이 어려움을 겪고 있는 문제)보다 훨씬 높은 수준에서 작동하는 RF 전력 애플리케이션에 매우 중요합니다.

그러나 열 전도성 측면에서 실리콘은 GaN보다 약간 더 우수합니다. 이는 GaN 장치가 실리콘 장치보다 열 요구 사항이 더 크다는 것을 의미합니다. 결과적으로, 열 전도성이 부족하면 고전력에서 작동할 때 GaN 장치를 축소하는 능력이 제한됩니다(열을 발산하려면 큰 덩어리의 재료가 필요하기 때문입니다).

GaN의 아킬레스건 - P형 없음

고주파수에서 고전력으로 작동할 수 있는 반도체를 갖는 것은 좋지만 GaN이 제공하는 모든 장점에도 불구하고 많은 응용 분야에서 실리콘을 대체하는 능력을 심각하게 방해하는 한 가지 주요 단점이 있습니다. 바로 P형이 없다는 것입니다.

새로 발견된 재료의 주요 목적 중 하나는 효율성을 획기적으로 높이고 더 높은 전력 및 전압을 지원하는 것이며, 현재 GaN 트랜지스터가 이를 달성할 수 있다는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 그러나 개별 GaN 트랜지스터는 몇 가지 인상적인 특성을 제공하지만 현재의 모든 상용 GaN 장치가 N 유형이라는 사실로 인해 효율성이 극도로 저하됩니다.

이러한 경우가 발생하는 이유를 이해하려면 NMOS 및 CMOS 로직이 어떻게 작동하는지 살펴봐야 합니다. NMOS 로직은 제조 공정과 설계가 간단하여 1970년대와 1980년대에 매우 인기 있는 기술이었습니다. N형 MOS 트랜지스터의 전원 공급 장치와 드레인 사이에 연결된 단일 저항을 사용하면 해당 트랜지스터의 게이트가 MOS 트랜지스터의 드레인 전압을 제어할 수 있어 논게이트를 효과적으로 구현할 수 있습니다. 다른 NMOS 트랜지스터와 결합하면 AND, OR, XOR 및 래치를 포함한 모든 논리 구성 요소를 만드는 것이 가능합니다.

그러나 이 기술은 간단하지만 저항을 사용하여 전력을 공급하므로 NMOS 트랜지스터가 켜져 있을 때 저항에 많은 전력이 낭비됩니다. 단일 게이트의 경우 이러한 전력 손실은 최소화되지만 소형 8비트 CPU로 확장하면 증가할 수 있으며, 이로 인해 장치가 과열되고 단일 칩의 활성 장치 수가 제한될 수 있습니다.