हम हर जगह GaN ट्रांजिस्टर का उपयोग क्यों नहीं करते?


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GaN ट्रांजिस्टर के आसपास बहुत सारे शोध हुए हैं, जो साबित करते हैं कि उनके पास बहुत कम प्रतिरोध है, कम गेट-चार्ज है और उच्च तापमान पर बहुत प्रभावी हैं।

तो क्यों हम अभी भी ज्यादातर सी ट्रांजिस्टर का उत्पादन कर रहे हैं? यहां तक ​​कि अगर गाएन ट्रांजिस्टर उत्पादन में अधिक महंगा है, तो निश्चित रूप से इसकी भरपाई होनी चाहिए अगर यह आईसी में उपयोग किया जाता है?


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FakeMoustache का जवाब उत्कृष्ट है; हालाँकि, आपको लागत के बारे में भी सोचने की आवश्यकता है। सी सस्ता है। मैं आपके मास्क को Si से ले सकता हूं, और बस उसी शक्ति पर 10% गति प्राप्त करने के लिए SiGe में वेफर को बदल सकता हूं, लेकिन वेफर के लिए लागत 25% अधिक है। वहां से मैं नीलम वेफर्स आदि में जा सकता हूं। आप कमोडिटी मार्केट में फंस गए हैं। यदि आपके पास मूल्य की कमी नहीं है, तो आपको हर तरह की साफ-सुथरी चीजें मिलेंगी जो मुख्यधारा में नहीं दिखेंगी। SiCMOS तेज़ नहीं है, लेकिन यह सुनिश्चित है कि यह सस्ता है।
b degnan

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@bdegnan आपको इसे उत्तर के रूप में जोड़ना चाहिए। टिप्पणियाँ उत्तर के लिए नहीं हैं, और हमेशा के लिए नहीं रहती हैं।
पागल

जवाबों:


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मैं 2013 के बाद से बड़े पैमाने पर GaN का उपयोग कर रहा हूं, मुख्य रूप से एक आला आवेदन के लिए जो आसानी से लाभ प्राप्त कर सकता है GaN ने सी-रेडिएशन सहिष्णुता से अधिक है। पंचर और SEGR से पीड़ित होने के लिए कोई गेट-ऑक्साइड नहीं है, और सार्वजनिक अनुसंधान ने न्यूनतम गिरावट के साथ 1MRad के पिछले हिस्सों को दिखाया है। छोटे आकार के रूप में अच्छी तरह से आश्चर्यजनक है - शायद एक चौथाई या दो (सिक्का) के आकार में, आप 10 ए + डीसी / डीसी कनवर्टर को आसानी से लागू कर सकते हैं। सीसा-मिलाप सलाखों के साथ उन्हें खरीदने की क्षमता के साथ युग्मित, और कुछ तृतीय-पक्ष उन्हें सीमांकित पैकेजों में पैकेजिंग करते हैं, वे भविष्य हैं।

यह अधिक महंगा है, और "ट्रिकियर" के साथ काम करना है। कोई गेट-ऑक्साइड नहीं है, बस एक धातु-अर्धचालक जंक्शन है, इसलिए गेट ड्राइव वोल्टेज अत्यधिक प्रतिबंधात्मक है (ईपीसी द्वारा निर्मित वृद्धि मोड के लिए) - कोई भी अतिरिक्त वोल्टेज भाग को नष्ट कर देगा। अभी सार्वजनिक रूप से उपलब्ध गेट ड्राइवरों में से केवल कुछ मुट्ठी भर हैं - लोग अब केवल अधिक ड्राइवरों का निर्माण शुरू कर रहे हैं और हमें राष्ट्रीय LM5113 की तुलना में अधिक विकल्प दे रहे हैं। आप जिस 'विहित' कार्यान्वयन को देखेंगे, वह है BGA LM5113 + LGA GaN FETs, क्योंकि यहां तक ​​कि अन्य पैकेजों में भी बॉन्ड-वायर बहुत अधिक इंडक्शन जोड़ते हैं। एक अनुस्मारक के रूप में, यहां बताया गया है कि रिंगिंग कहां से आती है:

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EPC के eGaN डिवाइस एक 2DEG का उपयोग करते हैं और हमारे अनुप्रयोगों में HEMT के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। यह वह जगह है जहाँ उनका बहुत कम मूर्खतापूर्ण RDS (पर) से आता है - यह आमतौर पर एकल-अंकों के मिलिओम्स में होता है। उनके पास अविश्वसनीय रूप से तेज गति है, जिसका अर्थ है कि आपको मिलर-प्रभाव प्रेरित टर्न-ऑन के बारे में बहुत जागरूक होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, स्विचिंग लूप में परजीवी प्रेरण इन गति से बहुत अधिक महत्वपूर्ण हो जाते हैं - आपको वास्तव में अपने ढांकता हुआ मोटाई और घटक प्लेसमेंट के बारे में सोचना होगा ताकि लूप अधिष्ठापन कम हो (<3nH ठीक कर रहा है, IIRC, लेकिन जैसा कि नीचे चर्चा की गई है, यह बहुत कम हो सकता है), जैसा कि नीचे भी देखा गया है:

2DEG का चित्रण यहाँ छवि विवरण दर्ज करें

ईपीसी के लिए, वे एक पारंपरिक फाउंड्री में निर्मित होते हैं, लागत कम होती है। अन्य लोगों में GaN सिस्टम, ट्राइक्विंट, क्री, आदि शामिल हैं - उनमें से कुछ विशेष रूप से RF उद्देश्यों के लिए हैं, जबकि EPC मुख्य रूप से बिजली रूपांतरण / संबंधित अनुप्रयोगों (LIDAR, आदि) को लक्षित करता है। GaN मूल रूप से घट-घट-विधा है, इसलिए लोगों के पास उन्हें बढ़ाने के लिए अलग-अलग समाधान हैं, जिसमें इसके व्यवहार को उलटने के लिए गेट पर बस एक छोटे पी-चैनल MOSFET को स्टैक करना शामिल है।

EGaN डिवाइस का निर्माण

एक और दिलचस्प व्यवहार उस स्थिति में जब एक उच्च से अधिक सिलिकॉन डायोड ड्रॉप की कीमत पर रिवर्स रिकवरी चार्ज की "कमी" है। यह एक विपणन चीज़ की तरह है - वे आपको बताते हैं कि "क्योंकि कोई भी वृद्धि वाहक GaN HEMT में चालन में शामिल अल्पसंख्यक वाहक नहीं हैं, कोई रिवर्स रिकवरी लॉस नहीं हैं"। वे किस तरह का ग्लॉस ओवर करते हैं, V_ {SD} आमतौर पर 2-3V + रेंज में एक Si FET में 0.8V की तुलना में होता है - बस एक सिस्टम डिजाइनर के रूप में जागरूक होना चाहिए।

मैं गेट पर भी फिर से स्पर्श करूँगा - आपके ड्राइवरों को मूल रूप से भागों पर फाटकों को रोकने के लिए आंतरिक रूप से ~ 5.2V बूटस्ट्रैप डायोड रखना होगा। गेट ट्रेस पर किसी भी अतिरिक्त अधिष्ठापन से रिंगिंग हो सकती है जो कि भाग को नष्ट कर देगी, जबकि आपके औसत Si MOSFET में आमतौर पर +/- 20V या उसके आसपास Vgs होता है। मुझे एक एलजीए भाग की जगह गर्म हवा वाली बंदूक के साथ कई घंटे बिताने पड़े क्योंकि मैंने इसे गड़बड़ कर दिया।

कुल मिलाकर, मैं अपने आवेदन के लिए भागों का प्रशंसक हूं। मुझे नहीं लगता कि सी के साथ लागत अभी भी नीचे है, लेकिन अगर आप आला काम कर रहे हैं या उच्चतम संभव प्रदर्शन चाहते हैं, तो GaN जाने का तरीका है - Google लिटिल बॉक्स चैलेंज के विजेताओं ने GaN- आधारित का उपयोग किया उनके कनवर्टर में पावर स्टेज। सिलिकॉन अभी भी सस्ता है, उपयोग में आसान है, और लोग इसे समझते हैं, खासकर एक विश्वसनीयता पीओवी से। GaN विक्रेताओं अपने डिवाइस की विश्वसनीयता के आंकड़ों को साबित करने के लिए बड़ी लंबाई में जा रहे हैं, लेकिन MOSFETs ने लोगों को समझाने के लिए डिवाइस भौतिकी स्तर पर कई दशकों के सबक-सीखा और विश्वसनीयता इंजीनियरिंग डेटा दिया है कि समय के साथ हिस्सा जलने नहीं जा रहा है।


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इसके अलावा साइड नोट, EPC के लिए हिलाने की कोशिश नहीं कर रहा है, यह केवल विक्रेता है जिसकी टोपोलॉजी (शक्ति अनुप्रयोगों के लिए वृद्धि-मोड GaN ट्रांजिस्टर) मैं सबसे परिचित हूं। वहाँ अन्य भी हैं - क्री, GaN सिस्टम्स, आदि
क्रुनाल देसाई

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3 एनएच आंकड़ा दिलचस्प है - वास्तव में तेजी से सर्किट के कुछ ईपीसी दिखा रहा था जिसमें 0.4nH लूप इंडक्शन था। उन्होंने यह भी कहा कि गेट वोल्टेज संवेदनशीलता उनके जनरल 4 उपकरणों के साथ कम हो गई .... मैं GaN के साथ नहीं खेलता हूं, मुख्यतः SiC तो मुझे तत्काल अनुभव नहीं है।
W5VO

मैं Gen1 / Gen2 उपकरणों के लिए उनके पहले के कुछ पेपर्स / लेआउट गाइडों को याद कर रहा हूं, मुझे लगता है कि वे उस सीमा में कहां थे ... 0.4nH पागल है , L1 / L2 ढांकता हुआ कितना पतला था? मुझे पता है कि यह आसान हो जाता है यदि आप उनके एकीकृत भागों का उपयोग करते हैं (एसडब्ल्यू नोड को छोटा किया जाता है)।
क्रुनाल देसाई

मुझे लगता है कि 4-8 मील की दूरी पर मोटाई (याद करने की कोशिश) थी, हालांकि वे इस उदाहरण में आधे-पुल भागों का उपयोग नहीं कर रहे थे। यह लेआउट टोपोलॉजी के उनके अध्ययन का हिस्सा था, और वे एक संयुक्त उपकरण का उपयोग नहीं कर रहे थे। मुझे लगता है कि GaN लेआउट बोर्ड फैब घरों को सभी विशेष आवश्यकताओं से समृद्ध बनाने जा रहे थे।
W5VO

एकीकृत भाग (जैसे ईपीसी 2100, आईआईआरसी) निश्चित रूप से करते हैं - आपको उन हिस्सों का उपयोग करने के लिए माइक्रोविअस का उपयोग करना होगा, कोई अन्य तरीका नहीं जब तक कि आपको एक घर नहीं मिला है जो कुछ प्रभावशाली पहलू अनुपात w / माइक्रो-ड्रिलिंग को संभाल सकता है।
क्रुनाल देसाई

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यह निश्चित रूप से क्षतिपूर्ति करना चाहिए अगर यह आईसी में उपयोग किया जाता है

खैर नहीं, यह कई कारणों से नहीं है:

  • आज के IC निर्माण प्रक्रियाओं में GaN ट्रांजिस्टर आसानी से नहीं बनाए जा सकते हैं
  • हर एप्लिकेशन को सबसे तेज ट्रांजिस्टर की जरूरत नहीं होती है
  • हर एप्लिकेशन को प्रतिरोध पर सबसे कम जरूरत नहीं होती है
  • प्रत्येक एप्लिकेशन को उच्च तापमान व्यवहार की आवश्यकता नहीं होती है
  • GaN ट्रांजिस्टर को छोटे MOS ट्रांजिस्टर जितना छोटा नहीं बनाया जा सकता है

इसकी तुलना SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम) से करें जो कई वर्षों से उपलब्ध है। इसमें तेज (द्विध्रुवीय) ट्रांजिस्टर होता है। क्या यह हर जगह इस्तेमाल किया जाता है? नहीं, क्योंकि कुछ आईसी द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं। आज के आईसी के 99% लोग सीएमजी विनिर्माण प्रक्रियाओं को एक आला आवेदन बनाने के लिए सीएमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं।

GaN के लिए भी यही सच है, यह केवल पावर ट्रांजिस्टर के लिए उपयोगी है । आईसी को आमतौर पर इस तरह के पावर ट्रांजिस्टर की कोई आवश्यकता नहीं होती है।


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GaN एकीकृत सर्किट

वर्तमान में GaN विशिष्ट IC अनुप्रयोगों में सिलिकॉन से आगे निकलने की स्थिति में नहीं है क्योंकि लिथोग्राफी और प्रसंस्करण सिलिकॉन की तरह परिपक्व नहीं है, और CMOS GaN अभी भी शुरुआती शोध में है। कई ट्रांजिस्टर एकीकरण पहले से ही GaN के साथ संभव है, लेकिन प्राथमिक अनुप्रयोग पावर स्विचिंग है क्योंकि यही वह जगह है जहां अधिकांश लाभों को महसूस किया जा सकता है। बड़ी संख्या में सर्किट के लिए, एक सफल GaN कार्यान्वयन संभव नहीं है या केवल आला उपयोग हैं। उदाहरण के लिए, वर्तमान तकनीक के साथ एक GaN माइक्रोकंट्रोलर प्राप्त करने योग्य नहीं है।


हालाँकि, पावर सर्किट में, कई फायदे हैं जिन्हें आप वर्तमान GaN उपकरणों के साथ महसूस कर सकते हैं:

किसी भी मरने वाले क्षेत्र के लिए तेज़ स्विचिंग (लोअर आर डीएस (ऑन) )

महान शक्ति स्विचिंग गति के साथ परजीवी इंडक्शन को प्रबंधित करने के लिए बहुत जिम्मेदारी आती है। आप 1 एनएच से ऊपर लूप अधिष्ठापन के साथ प्रतिकूल सर्किट व्यवहार देखेंगे, और आपके लेआउट में इस तरह के इंडक्शन से बचना बहुत कठिन है। कई सिलिकॉन सर्किट के लिए, आप सापेक्ष हत्या से दूर हो सकते हैं। इन ट्रांजिस्टर से अधिकतम प्राप्त करने के लिए, आपको अपने पावर कन्वर्टर लेआउट के सभी पहलुओं पर ध्यान देना चाहिए जो कि आमतौर पर सिलिकॉन डिजाइनों द्वारा आवश्यक विस्तार के स्तर से परे है।

छोटे पैकेज

पैकेजिंग भी छोटा है, EPC के साथ जो अनिवार्य रूप से सोल्डर-बम्प मर रहे हैं उसे बेचकर आप सीधे पीसीबी पर रिफ्लेक्ट करते हैं। उदाहरण के लिए, यह 40V, 16mΩ, 10A डिवाइस 1.7 मिमी x 1.1 मिमी है, या 0603 रोकनेवाला के आकार से थोड़ा बड़ा है। हैंडलिंग और प्रसंस्करण बड़े एसएमटी भागों के बजाय या छेद के माध्यम से BGA- शैली तकनीकों के लिए तैयार किया जाना चाहिए।

अच्छा तापमान व्यवहार

और अच्छा तापमान ऑपरेशन बेकार है अगर आपको इसे नियंत्रित करने के लिए इसके बगल में एक मानक सिलिकॉन भाग की आवश्यकता है।

लो गेट ड्राइव वोल्टेज

कम गेट वोल्टेज ड्राइव (आमतौर पर ईपीसी भागों के लिए 5 वी) भी कम अधिकतम गेट वोल्टेज (-4 वी से + 6 वी वीजीएस ऊपर लिंक किए गए भाग के लिए) के साथ मेल खाता है। इसका मतलब यह है कि डिवाइस को नुकसान से बचाने के लिए आपका गेट ड्राइवर स्थिर होना चाहिए, और फिर से आपका लेआउट अच्छा होना चाहिए। यह बेहतर हो गया है, लेकिन अभी भी एक चिंता का विषय है।

एक सिलिकॉन भाग के लिए ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन के रूप में GaN के लाभों को देखने की बहुत इच्छा है। इस दर पर, स्थिर और सुरक्षित संचालन सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक अतिरिक्त काम, और तेजी से स्विचिंग गति का लाभ उठाने के लिए आवश्यक कार्य का मतलब है कि यह पुराने डिजाइनों में बस सिलिकॉन एफईटी की जगह नहीं लेगा। जैसा कि FakeMoustache का उल्लेख है, आपको हमेशा शीर्ष प्रदर्शन की आवश्यकता नहीं होती है (और कभी-कभी ट्रांजिस्टर भी कमजोर स्थान नहीं होता है)।


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GaN आरएफ प्रवर्धन और बिजली रूपांतरण (बिजली की आपूर्ति स्विचन) में उपयोगी हो रहा है । बाद के मामले में इसे सी की तुलना में बहुत कम शीतलन की आवश्यकता होती है, पूर्व में यह तेजी से चल सकता है।

लेकिन आरएफ प्रवर्धन का उपयोग करता है, यह सिर्फ Si के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर रहा है, यह GaAs (जैसे MMICs) और SiGe के साथ प्रतिस्पर्धा कर रहा है। बिजली रूपांतरण के लिए, SiC भी दिलचस्प होता जा रहा है।

लेकिन यह केवल लागत और प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों के बारे में नहीं है। प्रतिरोध और स्विचिंग गति दोनों के लिए सबसे अच्छा GaN उपकरण HEMT हैं। GaN HEMT आमतौर पर एक नकारात्मक गेट पूर्वाग्रह को बंद करने की आवश्यकता वाले उपकरणों पर होते हैं। यह सिस्टम में लागत और जटिलता जोड़ता है, और इसका मतलब यह भी है कि एक नियंत्रण-सर्किट विफलता ट्रांजिस्टर को विफल कर सकती है, जो कि "रोचक" है यदि आप एचवीडीसी जैसी चीजों से निपट रहे हैं।

GaN को एक हेटरो-सब्सट्रेट पर उगाया जाना है, जो विकास को कठिन बनाता है (आगे लागत में जोड़कर)। वर्षों के अनुसंधान के बावजूद यह अभी भी एपिलेयर्स की सामग्री की गुणवत्ता को प्रभावित करता है, प्रदर्शन / आजीवन व्यापार के लिए निहितार्थ के साथ।

तो GaN कुछ आला अनुप्रयोगों के लिए एक बहुत ही उपयोगी तकनीक होने की संभावना है, अगर यह कुछ प्रतिद्वंद्वी प्रौद्योगिकियों की तुलना में तेजी से विकसित होता है तो अधिक मुख्यधारा बन जाएगा।


¹मैंने सी सब्सट्रेट पर कुछ GaN HEMT के साथ काम किया है जिनके पास एक सकारात्मक थ्रेशोल्ड वोल्टेज है, लेकिन मुझे नहीं लगता कि किसी ने अभी तक इसे बाजार में नहीं बनाया है।


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तो क्यों हम अभी भी ज्यादातर सी ट्रांजिस्टर का उत्पादन कर रहे हैं? यहां तक ​​कि अगर गाएन ट्रांजिस्टर उत्पादन में अधिक महंगा है, तो निश्चित रूप से इसकी भरपाई होनी चाहिए अगर यह आईसी में उपयोग किया जाता है?

आपको क्या लगता है कि "यह निश्चित रूप से क्षतिपूर्ति करना चाहिए"? यह निश्चित रूप से ऐसा नहीं है।

GaN का (जर्मन) विकिपीडिया-लेख कहता है कि GaN- आधारित उपकरणों के उत्पादन में मुख्य समस्या थी और अभी भी बड़े एकल क्रिस्टल के उत्पादन की कठिनाई है। लेख में यह भी उदाहरण के लिए शो एक क्रिस्टल जिसका लंबाई है सिर्फ 3 मिमी (यहां तक कि अगर यह बड़ों यह बहुत बड़ा नहीं होगा निर्माण करने के लिए संभव हो सकता है)।

इसके विपरीत, सी सिंगल क्रिस्टल का उत्पादन करना संभव है, जिसका व्यास लगभग आधा मीटर (सीए 500 मिमी) है और जिसकी लंबाई इससे कई गुना अधिक है।

प्राप्त करने योग्य एकल क्रिस्टल आकार में बस इतना बड़ा अंतर यह स्पष्ट करता है कि Si तकनीक में महारत हासिल करना GaN प्रौद्योगिकी की तुलना में बहुत अधिक उन्नत है।

और एकल क्रिस्टल आकार की तुलना में अधिक पहलू हैं।


मैं इस पर विश्वास करता था क्योंकि मैंने कुछ रेखांकन को अपंग ऊर्जा को प्रदर्शित करते हुए देखा था जब इसे बंद किया गया था और इसके विपरीत। मुझे एहसास नहीं था कि यह केवल बिजली ट्रांजिस्टर के लिए था।
कैस्पर Vranken

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पहले के उत्तरों में वर्णित लेआउट समस्याएं एक पैकेज में ड्राइवर और ट्रांजिस्टर को एकीकृत करने वाले निर्माताओं के साथ कम प्रासंगिक हो रही हैं, इस प्रकार गेट लूप और सामान्य स्रोत अधिष्ठापन की समस्या को दरकिनार कर रही है। इसलिए, काफी हद तक, सवाल यह होना चाहिए: "जब तक हम हर जगह GaN का उपयोग कर रहे हैं?"

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