Почему мы не используем транзисторы GaN повсеместно?

Я широко использую GaN с 2013 года или около того, в основном для нишевых приложений, которые могут легко извлечь выгоду из одного огромного преимущества, которое GaN имеет по сравнению с Si, — устойчивость к излучению. Нет затворного оксида, который можно было бы проколоть и пострадать от SEGR, и общедоступные исследования показали, что детали, выживающие после 1 MRad, с минимальной деградацией. Небольшой размер также удивителен — размером, может быть, в четверть или две (монета), вы можете легко реализовать преобразователь постоянного тока в постоянный ток 10 А+. В сочетании с возможностью приобретать их со свинцовыми прутками припоя, а некоторые третьи стороны упаковывают их в герметичные пакеты, за ними будущее.

Это дороже и «сложнее» в работе. Здесь нет затвора-оксида, только переход металл-полупроводник, поэтому напряжение привода затвора сильно ограничено (для режима улучшения, созданного EPC) - любое избыточное напряжение разрушит деталь. В настоящее время существует всего несколько общедоступных драйверов затворов — люди только сейчас начинают создавать больше драйверов и дают нам больше возможностей, чем National LM5113. «Каноническая» реализация, которую вы увидите, — это полевые транзисторы BGA LM5113 + LGA GaN, потому что даже соединительные провода в других корпусах добавляют слишком большую индуктивность. Напоминаю, вот откуда этот звон:

Устройства EPC eGaN используют 2DEG и могут быть классифицированы как HEMT в наших приложениях. Вот откуда берется во многом их глупо низкий RDS(on) — обычно он измеряется одноразрядными миллиомами. У них невероятно высокая скорость, а это значит, что вы должны очень хорошо знать о включении, вызванном эффектом Миллера. Кроме того, как упоминалось выше, паразитная индуктивность в контуре переключения становится гораздо более критичной на этих скоростях — вам действительно нужно думать о толщине диэлектрика и размещении компонентов, чтобы поддерживать индуктивность этого контура на низком уровне (менее 3 нГн все в порядке, IIRC, но как обсуждается ниже, она может/должна быть намного ниже), как показано ниже:

Для EPC они также изготавливаются на обычном литейном заводе, что снижает затраты. Другие производители включают системы GaN, Triquint, Cree и т. д. Некоторые из них предназначены специально для радиочастотных целей, тогда как EPC в первую очередь нацелен на преобразование энергии / связанные с ним приложения (ЛИДАР и т. д.). GaN также изначально работает в режиме истощения, поэтому у людей есть разные решения для их улучшения, включая простое размещение небольшого P-канального MOSFET на затворе, чтобы инвертировать его поведение.

Еще одним интересным поведением является «отсутствие» заряда обратного восстановления за счет более высокого, чем у кремниевого диода, падения в этом состоянии. Это своего рода маркетинговый ход — они говорят вам, что «поскольку в GaN HEMT с улучшенным режимом не участвуют неосновные носители, отсутствуют потери на обратное восстановление». Что они как бы замалчивают, так это то, что V_{SD} обычно находится в диапазоне 2-3 В+ по сравнению с 0,8 В в Si FET - это просто то, о чем следует знать разработчику системы.

Я также коснусь затвора снова - ваши драйверы в основном должны иметь внутри бутстрепный диод ~ 5,2 В, чтобы предотвратить взлом затворов на деталях. Любая избыточная индуктивность на дорожке затвора может привести к звону, который разрушит деталь, тогда как ваш средний Si MOSFET обычно имеет Vgs около +/-20 В или около того. Мне пришлось провести много часов с термофеном, заменяя деталь LGA, потому что я все испортил.

В целом, я фанат частей для своего приложения. Я не думаю, что стоимость Si пока еще ниже, но если вы занимаетесь нишевой работой или хотите получить максимально возможную производительность, GaN — это то, что вам нужно: победители конкурса Google Little Box Challenge использовали GaN на основе силовой каскад в их преобразователе. Кремний по-прежнему дешев, прост в использовании, и люди это понимают, особенно с точки зрения надежности. Поставщики GaN идут на многое, чтобы доказать показатели надежности своих устройств, но полевые МОП-транзисторы имеют многолетний опыт и данные по проектированию надежности на уровне физики устройства, чтобы убедить людей в том, что деталь не сгорит со временем.

это, безусловно, должно компенсировать, если оно используется в IC

Ну нет, не по нескольким причинам:

• Транзисторы GaN не могут быть легко изготовлены в современных производственных процессах ИС.
• Не каждому приложению нужен самый быстрый транзистор
• Не каждое приложение нуждается в самом низком сопротивлении
• Не каждое приложение нуждается в высокотемпературном поведении
• GaN-транзисторы нельзя сделать такими же маленькими, как самый маленький МОП-транзистор.

Сравните его с SiGe (кремниевым германием) , который доступен уже много лет. Он имеет более быстрые (биполярные) транзисторы. Он везде используется? Нет, потому что в немногих микросхемах используются биполярные транзисторы. 99% современных ИС используют транзисторы CMOS, что делает производственные процессы SiGe нишевым приложением.

То же самое верно и для GaN, это полезно только для силовых транзисторов . ИС обычно не нуждаются в таких силовых транзисторах.

Интегральные схемы GaN

В настоящее время GaN не в состоянии превзойти кремний в типичных приложениях ИС, поскольку литография и обработка не так совершенны, как кремний, а КМОП-GaN все еще находится на ранней стадии исследований. Интеграция нескольких транзисторов уже возможна с GaN, но основное применение — коммутация питания, потому что именно здесь можно реализовать большинство преимуществ. Для большого количества схем успешная реализация GaN невозможна или имеет только нишевое применение. Например, микроконтроллер GaN недостижим с помощью современных технологий.

Однако в силовых цепях есть много преимуществ, которые вы можете реализовать с помощью современных устройств GaN:

Более быстрое переключение (меньше R _DS(on) для заданной площади кристалла)

С большой скоростью переключения мощности возникает большая ответственность по управлению паразитной индуктивностью. Вы увидите неблагоприятное поведение схемы с индуктивностью контура выше 1 нГн, и очень трудно избежать такой большой индуктивности в вашей схеме. Для многих кремниевых схем вам может сойти с рук относительное убийство. Чтобы получить максимальную отдачу от этих транзисторов, вы должны обратить внимание на все аспекты компоновки силового преобразователя, выходящие далеко за пределы уровня детализации, обычно требуемого для кремниевых конструкций.

Меньшие пакеты

Упаковка также меньше, поскольку EPC продает то, что по сути представляет собой кристалл с припоем, который вы непосредственно приплавляете к печатной плате. Например, это устройство 40 В, 16 мОм, 10 А имеет размеры 1,7 мм x 1,1 мм или немного больше размера резистора 0603. Обращение и обработка должны быть подготовлены для методов в стиле BGA вместо более крупных деталей SMT или сквозных отверстий.

Хорошее температурное поведение

И хорошая температурная работа бесполезна, если вам нужно иметь рядом стандартную кремниевую деталь, чтобы контролировать ее.

Низкое напряжение управления затвором

Привод с низким напряжением затвора (обычно 5 В для частей EPC) также соответствует низкому максимальному напряжению затвора (от -4 В до +6 В Vgs для части, указанной выше). Это означает, что ваш драйвер ворот должен быть устойчивым, чтобы устройство не повредило себя, и (опять же) ваша компоновка должна быть хорошей. Это стало лучше, но все еще беспокоит.

Есть много желающих увидеть преимущества GaN в качестве простой замены кремниевой детали. При такой скорости дополнительная работа, необходимая для обеспечения стабильной и безопасной работы, а также работа, необходимая для использования преимущества более высокой скорости переключения, означает, что он не просто заменит кремниевые полевые транзисторы в старых конструкциях. Как упоминает FakeMoustache , вам не всегда нужна максимальная производительность (а иногда транзистор даже не является слабым местом).

GaN становится полезным в радиочастотном усилении и преобразовании мощности (импульсные источники питания). В последнем случае он нуждается в гораздо меньшем охлаждении, чем Si, в первом он может работать быстрее.

Но в радиочастотном усилении он конкурирует не только с Si, но и с GaAs (например, MMIC) и SiGe. Для преобразования энергии SiC также становится интересным.

Но дело не только в стоимости и конкурирующих технологиях. Лучшими устройствами GaN как по сопротивлению во включенном состоянии, так и по скорости переключения являются HEMT. GaN HEMT — это нормально включенные устройства¹, для выключения которых требуется отрицательное смещение затвора. Это увеличивает стоимость и сложность системы, а также означает, что отказ схемы управления может привести к отказу транзистора, что «интересно», если вы имеете дело с такими вещами, как HVDC.

GaN необходимо выращивать на гетероподложке, что затрудняет рост (еще больше увеличивает стоимость). Несмотря на многолетние исследования, это по-прежнему влияет на качество материала эпитаксиальных слоев, что влияет на компромисс между производительностью и сроком службы.

Таким образом, GaN, вероятно, будет очень полезной технологией для определенных нишевых приложений, которая станет более популярной, если будет развиваться быстрее, чем некоторые из конкурирующих технологий.

¹Я работал с некоторыми GaN HEMT на кремниевых подложках, которые имеют положительное пороговое напряжение, но я не думаю, что какой-либо из них еще не вышел на рынок.

Так почему же мы до сих пор в основном производим кремниевые транзисторы? Даже если транзистор GaN дороже в производстве, он обязательно должен компенсировать это, если он используется в ИС?

С чего вы взяли, что "это обязательно должно компенсировать"? Это определенно не так.

В (немецкой) статье Википедии о GaN говорится, что основной проблемой при производстве устройств на основе GaN была и остается сложность производства больших монокристаллов. В статье также показан, например, монокристалл, длина которого составляет всего 3 мм (даже если и удастся изготовить более крупные кристаллы, они не будут намного больше).

В отличие от этого возможно получение монокристаллов Si диаметром почти полметра (около 500 мм) и кратной этому длине.

Уже эта огромная разница в размерах получаемых монокристаллов ясно показывает, что освоение технологии Si гораздо более продвинуто, чем технология GaN.

И есть больше аспектов, чем размер монокристалла.

Проблемы компоновки, упомянутые в предыдущих ответах, становятся менее актуальными, поскольку производители интегрируют драйвер и транзистор в один корпус, что позволяет обойти проблему контура затвора и общей индуктивности истока. Таким образом, в значительной степени вопрос должен звучать так: «Когда мы повсеместно используем GaN?»