ทำไมเราไม่ใช้ทรานซิสเตอร์ GaN ทุกที่?

มีงานวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ GaN ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าพวกเขามีความต้านทานต่ำ, ประจุเกตต่ำและมีประสิทธิภาพมากที่อุณหภูมิสูง

แล้วทำไมเรายังผลิตทรานซิสเตอร์ศรีเป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าทรานซิสเตอร์ GaN จะมีราคาแพงกว่าในการผลิต แต่ก็ต้องชดเชยหากใช้กับ IC

ฉันใช้ GaN อย่างกว้างขวางมาตั้งแต่ปี 2556 โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชั่นแบบเฉพาะที่สามารถได้รับประโยชน์จากข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่ง GaN มีความทนทานต่อรังสีมากกว่าศรี ไม่มีเกทออกไซด์ที่จะเจาะและทนทุกข์ทรมานจาก SEGR และการวิจัยสาธารณะได้แสดงให้เห็นชิ้นส่วนที่อาศัยอยู่ 1MRad ที่ผ่านมาด้วยการย่อยสลายน้อยที่สุด ขนาดเล็กน่าทึ่งเช่นกัน - ขนาดอาจจะเป็นหนึ่งในสี่หรือสอง (เหรียญ) คุณสามารถใช้ตัวแปลง 10A + DC / DC ได้อย่างง่ายดาย เมื่อรวมกับความสามารถในการซื้อด้วยแท่งประสานตะกั่วและบุคคลที่สามบรรจุหีบห่อในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดผนึกอย่างแน่นหนาพวกเขาเป็นอนาคต

มันแพงกว่าและ "หลอกลวง" กว่าจะทำงานด้วย ไม่มีเกตออกไซด์เพียงทางแยกเซมิคอนดักเตอร์โลหะดังนั้นแรงดันไดรฟ์เกตจึงมีข้อ จำกัด สูง (สำหรับโหมดการปรับปรุงตามที่ EPC สร้างขึ้น) - แรงดันส่วนเกินใด ๆ จะทำลายชิ้นส่วน ตอนนี้มีคนขับเกตที่มีอยู่ไม่กี่คนเท่านั้นตอนนี้ผู้คนเริ่มสร้างไดรเวอร์เพิ่มขึ้นและให้ทางเลือกแก่เรามากกว่า National LM5113 การใช้งาน 'มาตรฐาน' ที่คุณจะพบเห็นก็คือ BGA LM5113 + LGA GaN FETs เพราะแม้แต่สายไฟพันธบัตรในแพ็คเกจอื่นก็เพิ่มการเหนี่ยวนำมากเกินไป เพื่อเป็นการเตือนความจำนี่คือที่มาของเสียงเรียกเข้า:

อุปกรณ์ eGaN ของ EPC ใช้ 2DEG และสามารถจัดเป็น HEMT ในแอปพลิเคชันของเรา นี่คือที่มาของ RDS (on) ที่ต่ำอย่างน่าประหลาดใจของพวกเขามาจาก - โดยปกติจะอยู่ในหน่วยมิลลิวินาทีหลัก พวกมันมีความเร็วที่เร็วอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งหมายความว่าคุณต้องระวังการหมุนของลูกเล่นของมิลเลอร์ นอกจากนี้ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นการเหนี่ยวนำกาฝากในวงสวิทช์มีความสำคัญยิ่งกว่าที่ความเร็วเหล่านี้ - คุณต้องคิดเกี่ยวกับความหนาของอิเล็กทริกและการจัดวางองค์ประกอบเพื่อให้การเหนี่ยวนำของลูปนั้นต่ำ กล่าวถึงด้านล่างก็สามารถ / ควรจะต่ำกว่ามาก) ตามที่เห็นด้านล่าง:

สำหรับ EPC พวกเขายังถูกสร้างขึ้นที่โรงหล่อธรรมดาซึ่งช่วยลดต้นทุน คนอื่น ๆ รวมถึงระบบ GaN, Triquint, Cree, และอื่น ๆ - บางอย่างนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้เป็นคลื่นความถี่วิทยุในขณะที่ EPC มีเป้าหมายหลักในการแปลงพลังงาน / แอพพลิเคชั่นที่เกี่ยวข้อง (LIDAR เป็นต้น) GaN เป็นโหมดการพร่องทางธรรมชาติเช่นกันดังนั้นผู้คนจึงมีวิธีแก้ไขปัญหาที่แตกต่างกันสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพรวมถึงเพียงแค่วาง MOSFET ขนาดเล็ก P-channel บนเกตเพื่อลดพฤติกรรมของมัน

พฤติกรรมที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือ "ขาด" ของค่าธรรมเนียมการกู้คืนแบบย้อนกลับโดยมีค่าใช้จ่ายของไดโอดที่สูงกว่าซิลิคอนเมื่ออยู่ในสถานะนั้น มันเป็นเรื่องทางการตลาด - พวกเขาบอกคุณว่า "เนื่องจากไม่มีผู้ให้บริการส่วนน้อยที่เกี่ยวข้องในการนำในโหมดการปรับปรุง GaN HEMT ไม่มีการสูญเสียการกู้คืนแบบย้อนกลับ" สิ่งที่พวกเขามองข้ามคือ V_ {SD} โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 2-3V + เมื่อเทียบกับ 0.8V ใน Si FET - สิ่งที่ต้องระวังในฐานะผู้ออกแบบระบบ

ฉันจะแตะที่ประตูอีกครั้งเช่นกัน - โดยทั่วไปแล้วไดรเวอร์ของคุณจะต้องเก็บไดโอดบู๊ตสแตรปภายในประมาณ 5.2V เพื่อป้องกันการแตกประตูในชิ้นส่วน การเหนี่ยวนำมากเกินไปในการติดตามประตูสามารถนำไปสู่เสียงเรียกเข้าที่จะทำลายชิ้นส่วนในขณะที่ Si MOSFET เฉลี่ยของคุณมักจะมี Vgs ประมาณ +/- 20V หรือมากกว่านั้น ฉันต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงด้วยปืนลมร้อนแทนที่ส่วน LGA เพราะฉันทำสิ่งนี้ผิด

โดยรวมแล้วฉันเป็นแฟนของชิ้นส่วนสำหรับการสมัครของฉัน ฉันไม่คิดว่าค่าใช้จ่ายของ Si จะลดลง แต่ถ้าคุณทำงานเฉพาะหรือต้องการประสิทธิภาพสูงสุด GaN เป็นวิธีที่จะไป - ผู้ชนะของ Google Little Box Challenge ใช้ GaN เวทีพลังงานในแปลงของพวกเขา ซิลิคอนยังคงมีราคาถูกใช้งานง่ายและผู้คนเข้าใจโดยเฉพาะจาก POV ที่เชื่อถือได้ ผู้ขายของ GaN กำลังพยายามอย่างมากในการพิสูจน์ตัวเลขความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ แต่ MOSFET มีข้อมูลด้านวิศวกรรมและความน่าเชื่อถือที่เรียนรู้มาหลายสิบปีในระดับฟิสิกส์ของอุปกรณ์

มันจะต้องชดเชยอย่างแน่นอนถ้ามันถูกใช้ใน IC

ไม่ไม่มันมีหลายเหตุผล:

• ทรานซิสเตอร์ GaN ไม่สามารถทำได้ง่ายในกระบวนการผลิต IC ในปัจจุบัน
• ไม่ใช่ทุกแอปพลิเคชันที่ต้องการทรานซิสเตอร์ที่เร็วที่สุด
• ไม่ใช่ทุกการใช้งานที่ต้องการความต้านทานต่ำที่สุด
• ไม่ใช่ทุกแอปพลิเคชันที่ต้องการพฤติกรรมที่มีอุณหภูมิสูง
• ทรานซิสเตอร์ GaN ไม่สามารถทำได้ขนาดเล็กเท่ากับทรานซิสเตอร์ MOS ที่เล็กที่สุด

เปรียบเทียบกับSiGe (Silicon Germanium)ซึ่งมีวางจำหน่ายมาหลายปีแล้ว มันมีทรานซิสเตอร์ (ไบโพลาร์) ที่เร็วขึ้น มันใช้ได้ทุกที่หรือไม่? ไม่เพราะไอซีจำนวนน้อยใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้ว 99% ของไอซีในปัจจุบันใช้ทรานซิสเตอร์แบบ CMOS เท่านั้นที่ทำให้กระบวนการผลิต SiGe เป็นแอพพลิเคชั่นเฉพาะ

เช่นเดียวกับ GaN มันมีประโยชน์สำหรับทรานซิสเตอร์พลังงานเท่านั้น โดยทั่วไปแล้วไอซีไม่จำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้

วงจรรวมกาน

ปัจจุบัน GaN ไม่อยู่ในตำแหน่งที่จะแซงซิลิคอนในแอปพลิเคชั่น IC ทั่วไปเนื่องจากการพิมพ์และการประมวลผลนั้นยังไม่สมบูรณ์เท่ากับซิลิคอนและ CMOS GaN ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการวิจัย การรวมทรานซิสเตอร์หลายตัวนั้นเป็นไปได้ด้วย GaN แต่แอปพลิเคชันหลักคือการสลับพลังงานเพราะนั่นคือสิ่งที่ประโยชน์ส่วนใหญ่สามารถรับรู้ได้ สำหรับวงจรจำนวนมากการใช้งาน GaN ที่ประสบความสำเร็จนั้นเป็นไปไม่ได้หรือมีเพียงการใช้แบบเฉพาะ ตัวอย่างเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์ GaN ไม่สามารถใช้กับเทคโนโลยีในปัจจุบันได้

อย่างไรก็ตามในวงจรไฟฟ้ามีข้อดีหลายประการที่คุณสามารถรับรู้ได้ด้วยอุปกรณ์ GaN ปัจจุบัน:

การสลับที่เร็วขึ้น (Lower R _{DS (on)}สำหรับพื้นที่ที่กำหนด)

ด้วยความเร็วในการเปลี่ยนพลังงานที่ยอดเยี่ยมมาพร้อมกับความรับผิดชอบที่ดีในการจัดการการเหนี่ยวนำกาฝาก คุณจะเห็นพฤติกรรมที่ไม่พึงประสงค์ของวงจรที่มีการเหนี่ยวนำแบบวนซ้ำเหนือ 1 nH และมันยากมากที่จะหลีกเลี่ยงการเหนี่ยวนำที่มากในรูปแบบของคุณ สำหรับวงจรซิลิกอนหลายแห่งคุณสามารถหนีจากการสังหารญาติ เพื่อที่จะได้รับประโยชน์สูงสุดจากทรานซิสเตอร์เหล่านี้คุณต้องใส่ใจกับทุกแง่มุมของรูปแบบตัวแปลงพลังงานของคุณเกินระดับรายละเอียดที่จำเป็นโดยทั่วไปในการออกแบบซิลิกอน

แพ็คเกจที่เล็กกว่า

บรรจุภัณฑ์ก็มีขนาดเล็กลงเนื่องจาก EPC ขายสิ่งที่เป็นแม่พิมพ์ประสานซึ่งคุณต้องนำไปหลอมใหม่บน PCB โดยตรง ตัวอย่างเช่นอุปกรณ์40V, 16mΩ, 10Aนี้คือ 1.7 มม. x 1.1 มม. หรือใหญ่กว่าขนาดของตัวต้านทาน 0603 เล็กน้อย ต้องมีการเตรียมการสำหรับการจัดการและการประมวลผลสำหรับเทคนิคสไตล์ BGA แทนชิ้นส่วน SMT ขนาดใหญ่หรือผ่านรู

พฤติกรรมอุณหภูมิที่ดี

และการทำงานของอุณหภูมิที่ดีนั้นไร้ประโยชน์หากคุณต้องการชิ้นส่วนซิลิกอนมาตรฐานติดกับส่วนควบคุม

แรงดันไฟฟ้าของเกตต่ำ

ไดรฟ์แรงดันไฟฟ้าต่ำของประตู (โดยทั่วไป 5V สำหรับชิ้นส่วน EPC) จะถูกจับคู่กับแรงดันไฟฟ้าเกตต่ำสุด (-4V ถึง + 6V Vgs สำหรับชิ้นส่วนที่เชื่อมโยงด้านบน) ซึ่งหมายความว่าคนขับเกตของคุณจะต้องมั่นคงอย่างมั่นคงเพื่อป้องกันไม่ให้อุปกรณ์เสียหายและ (อีกครั้ง) เลย์เอาต์ของคุณจะต้องดี สิ่งนี้ได้ดีขึ้น แต่ก็ยังเป็นข้อกังวล

มีความปรารถนาอย่างมากที่จะเห็นประโยชน์ของ GaN เพื่อใช้แทนชิ้นส่วนซิลิกอนได้ ในอัตรานี้งานเพิ่มเติมที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานมีความเสถียรและปลอดภัยและงานที่จำเป็นในการใช้ประโยชน์จากความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้นหมายความว่ามันจะไม่เพียงแทนที่ FET ซิลิกอนในแบบเก่า ๆ ดังที่FakeMoustacheกล่าวถึงคุณไม่จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพสูงสุดเสมอไป (และบางครั้งทรานซิสเตอร์ก็ไม่ได้เป็นจุดอ่อน)

GaN กำลังเป็นประโยชน์ในการขยายสัญญาณ RFและการแปลงกำลังไฟ (การสลับพาวเวอร์ซัพพลาย) ในกรณีหลังมันต้องการความเย็นน้อยกว่า Si มากในอดีตมันสามารถทำงานได้เร็วขึ้น

แต่สำหรับการใช้งานแอมพลิฟายเออร์ RF นั้นไม่เพียง แต่แข่งขันกับ Si เท่านั้น แต่ยังแข่งขันกับ GaAs (เช่น MMICs) และ SiGe สำหรับการแปลงพลังงาน SiC กำลังเป็นที่น่าสนใจเช่นกัน

แต่มันไม่ได้เกี่ยวกับต้นทุนและเทคโนโลยีการแข่งขัน อุปกรณ์ GaN ที่ดีที่สุดสำหรับทั้งแบบตัวต้านทานและความเร็วในการเปลี่ยนคือ HEMT GaN HEMTs เป็นอุปกรณ์เปิดตามปกติ¹ต้องการให้ไบอัสเกตเป็นลบเพื่อปิด สิ่งนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนให้กับระบบและยังหมายถึงความล้มเหลวของวงจรควบคุมสามารถนำไปสู่ทรานซิสเตอร์ที่ล้มเหลวซึ่งเป็น "น่าสนใจ" หากคุณกำลังเผชิญกับสิ่งต่าง ๆ เช่น HVDC

GaN จะต้องมีการปลูกบนพื้นผิวแบบเฮเทโรซึ่งทำให้การเติบโตนั้นยากขึ้น แม้จะมีการวิจัยมานานหลายปี แต่สิ่งนี้ยังคงส่งผลกระทบต่อคุณภาพวัสดุของเครื่องกำจัดขนด้วยความหมายสำหรับประสิทธิภาพ / อายุการใช้งานที่ลดลง

ดังนั้น GaN น่าจะเป็นเทคโนโลยีที่มีประโยชน์มากสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะกลุ่มและกลายเป็นกระแสหลักหากพัฒนาได้เร็วกว่าเทคโนโลยีคู่แข่งบางรายการ

¹ฉันได้ทำงานกับ GaN HEMTs บนวัสดุพิมพ์ Si ที่มีแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นที่เป็นบวก แต่ฉันยังไม่คิดว่าจะมีใครออกสู่ตลาด

แล้วทำไมเรายังผลิตทรานซิสเตอร์ศรีเป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าทรานซิสเตอร์ GaN จะมีราคาแพงกว่าในการผลิต แต่ก็ต้องชดเชยหากใช้กับ IC

อะไรทำให้คุณเชื่อว่า "ต้องชดเชยอย่างแน่นอน"? มันไม่ใช่อย่างแน่นอน

Wikipedia article (ภาษาเยอรมัน) ของ GaN กล่าวว่าปัญหาหลักในการผลิตอุปกรณ์ที่ใช้ GaN คือและยังคงเป็นปัญหาในการผลิตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ บทความนี้ยังแสดงให้เห็นเช่นผลึกเดี่ยวที่มีความยาวเป็นเพียง 3mm (แม้ว่ามันอาจจะเป็นไปได้ในการผลิตที่ใหญ่กว่าก็จะไม่ได้มีขนาดใหญ่มาก)

ตรงกันข้ามกับความเป็นไปได้ในการผลิตผลึกเดี่ยวของศรีที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเกือบครึ่งเมตร (ประมาณ 500 มม.)และมีความยาวหลายเท่า

ความแตกต่างอย่างมากของขนาดผลึกเดี่ยวที่หาได้ทำให้ชัดเจนว่าเทคโนโลยี Si ที่เชี่ยวชาญนั้นล้ำหน้ากว่าเทคโนโลยี GaN มากยิ่งขึ้น

และมีแง่มุมมากกว่าขนาดผลึกเดี่ยว

ปัญหาเกี่ยวกับเลย์เอาต์ที่กล่าวถึงในคำตอบก่อนหน้านี้มีความเกี่ยวข้องน้อยลงกับผู้ผลิตที่รวมไดรเวอร์และทรานซิสเตอร์ไว้ในแพ็คเกจเดียว ดังนั้นในระดับใหญ่คำถามควรจะ: "เมื่อไหร่ที่เราจะใช้กานทุกที่"