Es wurde viel über GaN-Transistoren geforscht, um zu beweisen, dass sie einen sehr geringen Durchlasswiderstand und eine geringe Gateladung aufweisen und bei hohen Temperaturen sehr effektiv sind.
Warum produzieren wir immer noch hauptsächlich Si-Transistoren? Auch wenn der GaN-Transistor in der Produktion teurer ist, muss er es doch sicher ausgleichen, wenn er in ICs verwendet wird?
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Casper Vranken
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Antworten:
Ich benutze GaN seit 2013 in großem Umfang, hauptsächlich für eine Nischenanwendung, die leicht von einem großen Vorteil profitieren kann, den GaN gegenüber der Si-Strahlungstoleranz hat. Es gibt kein Gate-Oxid, das durchstoßen und an SEGR leiden könnte, und öffentliche Untersuchungen haben ergeben, dass die Teile, die nach 1MRad leben, nur eine minimale Degradation aufweisen. Die geringe Größe ist ebenfalls erstaunlich - in der Größe von vielleicht einem Viertel oder zwei (der Münze) können Sie problemlos einen 10A + DC / DC-Wandler implementieren. Zusammen mit der Möglichkeit, sie mit bleihaltigen Lötstangen zu kaufen und von einigen Drittanbietern in hermetisch versiegelten Verpackungen zu verpacken, sind sie die Zukunft.
Es ist teurer und "kniffliger", damit zu arbeiten. Es gibt kein Gate-Oxid, nur einen Metall-Halbleiter-Übergang, daher ist die Gate-Ansteuerspannung sehr restriktiv (für den von EPC erstellten Anreicherungsmodus) - jede Überspannung zerstört das Teil. Derzeit gibt es nur eine Handvoll öffentlich verfügbarer Gate-Treiber. Die Leute beginnen gerade damit, mehr Treiber zu bauen und bieten uns mehr Optionen als der National LM5113. Die "kanonische" Implementierung, die Sie sehen werden, sind die BGA LM5113 + LGA GaN-FETs, da selbst die Bonddrähte in anderen Gehäusen zu viel Induktivität hinzufügen. Zur Erinnerung, hier ist, woher das Klingeln kommt:
EPCs eGaN-Geräte verwenden ein 2DEG und können in unseren Anwendungen als HEMT eingestuft werden. Hier kommt ein Großteil ihres dumm niedrigen RDS (on) her - normalerweise im einstelligen Milliohm-Bereich. Sie haben unglaublich schnelle Geschwindigkeiten, was bedeutet, dass Sie sich der durch den Miller-Effekt ausgelösten Einschaltung sehr bewusst sein müssen. Wie oben erwähnt, werden parasitäre Induktivitäten in der Schaltschleife bei diesen Geschwindigkeiten sehr viel kritischer - Sie müssen tatsächlich über Ihre dielektrischen Dicken und die Platzierung der Komponenten nachdenken, um diese Schleifeninduktivität niedrig zu halten (<3nH ist in Ordnung, IIRC, aber als weiter unten diskutiert, kann / sollte es viel niedriger sein), wie auch unten zu sehen:
Für EPC werden sie auch in einer konventionellen Gießerei hergestellt, was die Kosten senkt. Andere Leute sind GaN-Systeme, Triquint, Cree usw. - einige davon sind speziell für HF-Zwecke gedacht, während EPC hauptsächlich auf Leistungsumwandlungs- / verwandte Anwendungen (LIDAR usw.) abzielt. GaN ist ebenfalls ein nativer Verarmungsmodus, daher haben die Leute verschiedene Lösungen, um sie zu verbessern, einschließlich des einfachen Stapelns eines kleinen P-Kanal-MOSFET auf dem Gate, um sein Verhalten umzukehren.
Ein weiteres interessantes Verhalten ist das "Fehlen" einer Sperrverzögerungsladung auf Kosten eines Diodentropfens, der höher als Silizium ist, wenn er sich in diesem Zustand befindet. Es ist eine Art Marketing-Sache - sie sagen Ihnen, dass "da keine Minderheitsträger an der Leitung eines GaN-HEMT im Enhancement-Modus beteiligt sind, gibt es keine Reverse Recovery-Verluste". Was sie beschönigen, ist, dass V_ {SD} im Allgemeinen im Bereich von 2-3 V + liegt, verglichen mit 0,8 V in einem Si-FET - etwas, das man als Systementwickler beachten sollte.
Ich werde auch das Tor wieder berühren - Ihre Fahrer müssen im Grunde genommen eine ~ 5,2-V-Bootstrap-Diode intern belassen, um zu verhindern, dass die Tore an den Teilen zerbrechen. Jegliche übermäßige Induktivität auf der Gate-Spur kann zu einem Überschwingen führen, das das Teil zerstört, wohingegen ein durchschnittlicher Si-MOSFET normalerweise eine Vgs von etwa +/- 20 V aufweist. Ich musste viele Stunden mit einer Heißluftpistole verbringen, um ein LGA-Teil zu ersetzen, weil ich das durcheinander gebracht habe.
Insgesamt bin ich ein Fan der Teile für meine Anwendung. Ich glaube, die Kosten für Si sind noch nicht so hoch, aber wenn Sie Nischenarbeit leisten oder die bestmögliche Leistung wünschen, ist GaN der richtige Weg - die Gewinner der Google Little Box Challenge haben eine GaN-basierte Lösung verwendet Leistungsstufe in ihrem Wandler. Silizium ist immer noch billig, einfach zu verwenden und wird von den Leuten verstanden, insbesondere von einem Zuverlässigkeits-POV. GaN-Anbieter sind sehr bemüht, ihre Zuverlässigkeitsangaben für Geräte zu beweisen. MOSFETs verfügen jedoch über jahrzehntelange Erfahrungen und Zuverlässigkeitsdaten auf Gerätephysik-Ebene, um die Leute davon zu überzeugen, dass das Teil mit der Zeit nicht durchbrennen wird.
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es muss sicherlich kompensieren, wenn es in ICs verwendet wird
Nun, nein, es gibt mehrere Gründe:
Vergleichen Sie es mit SiGe (Silicon Germanium), das seit vielen Jahren erhältlich ist. Es hat schnellere (bipolare) Transistoren. Wird es überall verwendet? Nein, da nur wenige ICs Bipolartransistoren verwenden. 99% der heutigen ICs verwenden CMOS-Transistoren, was SiGe-Herstellungsprozesse zu einer Nischenanwendung macht.
Das gleiche gilt für GaN, es ist nur für Leistungstransistoren nützlich . ICs benötigen diese Art von Leistungstransistoren im Allgemeinen nicht.
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GaN-ICs
Derzeit ist GaN nicht in der Lage, Silizium in typischen IC-Anwendungen zu überholen, da die Lithographie und Verarbeitung nicht so ausgereift sind wie Silizium, und CMOS-GaN befindet sich noch in der frühen Forschung. Die Integration mehrerer Transistoren ist bei GaN bereits möglich, die Hauptanwendung ist jedoch das Schalten der Leistung, da hier die meisten Vorteile erzielt werden können. Für eine große Anzahl von Schaltungen ist eine erfolgreiche GaN-Implementierung nicht möglich oder hat nur Nischenverwendungen. Ein GaN-Mikrocontroller ist beispielsweise mit der aktuellen Technologie nicht erreichbar.
In Stromkreisen gibt es jedoch viele Vorteile, die Sie mit aktuellen GaN-Geräten realisieren können:
Schnelleres Schalten (niedrigerer R DS (ein) für einen gegebenen Chipbereich)
Mit der hohen Schaltgeschwindigkeit der Leistung geht eine große Verantwortung für die Verwaltung der parasitären Induktivität einher. Bei Schleifeninduktivitäten über 1 nH tritt ein ungünstiges Schaltungsverhalten auf, und es ist sehr schwierig, so viele Induktivitäten in Ihrem Layout zu vermeiden. Für viele Silizium-Schaltkreise kann man mit relativen Mord davonkommen. Um diese Transistoren optimal nutzen zu können, müssen Sie alle Aspekte Ihres Stromrichterlayouts berücksichtigen, die weit über den Detaillierungsgrad hinausgehen, der normalerweise für Siliziumdesigns erforderlich ist.
Kleinere Pakete
Die Verpackung ist auch kleiner, da EPC Chips verkauft, bei denen es sich im Wesentlichen um Lötperlen handelt, die Sie direkt auf eine Leiterplatte aufschmelzen. Dieses Gerät mit 40 V, 16 mΩ und 10 A ist beispielsweise 1,7 mm x 1,1 mm groß oder etwas größer als ein 0603-Widerstand. Die Handhabung und Verarbeitung muss für BGA-Techniken anstelle größerer SMT-Teile oder Durchgangslöcher vorbereitet werden.
Gutes Temperaturverhalten
Und ein guter Temperaturbetrieb ist nutzlos, wenn Sie ein Standard-Siliziumteil zur Steuerung benötigen.
Niedrige Gate-Ansteuerspannung
Die Ansteuerung mit niedriger Gate-Spannung (in der Regel 5 V für EPC-Teile) entspricht auch einer niedrigen maximalen Gate-Spannung (-4 V bis +6 V Vgs für den oben verknüpften Teil). Dies bedeutet, dass Ihr Gate-Treiber stabil sein muss, damit sich das Gerät nicht selbst beschädigt, und (erneut) Ihr Layout muss gut sein. Dies ist besser geworden, ist aber immer noch ein Anliegen.
Es besteht großer Wunsch, die Vorteile von GaN als Ersatz für ein Siliziumteil zu sehen. Bei dieser Rate bedeutet die zusätzliche Arbeit, die erforderlich ist, um einen stabilen und sicheren Betrieb zu gewährleisten, und die Arbeit, die erforderlich ist, um die schnellere Schaltgeschwindigkeit auszunutzen, dass Silizium-FETs in alten Konstruktionen nicht einfach ersetzt werden. Wie FakeMoustache erwähnt, braucht man nicht immer Spitzenleistung (und manchmal ist der Transistor nicht einmal die Schwachstelle).
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GaN wird bei der HF-Verstärkung und Leistungsumwandlung (Schaltnetzteile) nützlich . Im letzteren Fall benötigt es viel weniger Kühlung als Si, im ersten Fall kann es schneller laufen.
Bei der HF-Verstärkung konkurriert es jedoch nicht nur mit Si, sondern auch mit GaAs (z. B. MMICs) und SiGe. Für die Energieumwandlung wird auch SiC interessant.
Es geht aber nicht nur um die Kosten und die konkurrierenden Technologien. Die besten GaN-Bauelemente sowohl für den Einschaltwiderstand als auch für die Schaltgeschwindigkeit sind HEMTs. GaN-HEMTs sind normalerweise eingeschaltete Bauelemente¹, die eine negative Gate-Vorspannung benötigen, um sie auszuschalten. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität des Systems und bedeutet auch, dass ein Ausfall des Steuerkreises zum Einschalten des Transistors führen kann, was "interessant" ist, wenn Sie sich mit Dingen wie HGÜ befassen.
GaN muss auf einem Heterosubstrat gezüchtet werden, was das Wachstum erschwert (was die Kosten weiter erhöht). Trotz jahrelanger Forschung wirkt sich dies immer noch auf die Materialqualität der Epilayer aus, was sich auf den Kompromiss zwischen Leistung und Lebensdauer auswirkt.
Daher ist GaN wahrscheinlich eine sehr nützliche Technologie für bestimmte Nischenanwendungen und wird zum Mainstream, wenn es sich schneller entwickelt als einige der Konkurrenztechnologien.
¹Ich habe mit einigen GaN-HEMTs auf Si-Substraten gearbeitet, die eine positive Schwellenspannung aufweisen, aber ich glaube, noch keine haben es auf den Markt geschafft.
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Was lässt Sie glauben, dass "es sicherlich ausgleichen muss"? Das ist definitiv nicht der Fall.
Der (deutsche) Wikipedia-Artikel von GaN besagt, dass das Hauptproblem bei der Herstellung von GaN-basierten Bauelementen die Schwierigkeit war und ist, große Einkristalle herzustellen. Der Artikel zeigt auch beispielsweise einen Einkristall , deren Länge ist nur 3 mm (Selbst wenn es möglich wäre , größere zu produzieren es nicht viel größer sein wird).
Im Gegensatz dazu können Si-Einkristalle hergestellt werden, deren Durchmesser fast einen halben Meter (ca. 500 mm) beträgt und deren Länge ein Vielfaches davon ist.
Allein dieser enorme Unterschied in der erreichbaren Einkristallgröße macht deutlich, dass die Mastering-Si-Technologie viel weiter fortgeschritten ist als die GaN-Technologie.
Und es gibt mehr Aspekte als die Einkristallgröße.
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Die in früheren Antworten erwähnten Layoutprobleme verlieren an Bedeutung, da Hersteller den Treiber und den Transistor in ein einziges Gehäuse integrieren und so das Problem der Gate-Schleife und der gemeinsamen Source-Induktivität umgehen. Die Frage sollte also im Großen und Ganzen lauten: "Bis wann verwenden wir GaN überall?"
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