Pitanje:
Zašto svugdje ne koristimo GaN tranzistore?
Casper Vranken
2016-06-05 15:03:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Puno je istraživanja oko GaN tranzistora, koji dokazuju da imaju vrlo mali otpor, nizak naboj i vrlo su učinkoviti na visokim temperaturama.

Pa zašto smo i dalje uglavnom proizvodnju Si tranzistora? Čak i ako je GaN tranzistor skuplji u proizvodnji, sigurno se mora nadoknaditi ako se koristi u IC-ima?

Odgovor FakeMoustachea je izvrstan;međutim, također morate razmišljati o troškovima.Si je jeftin.Mogu uzeti vaše maske sa Si-a i samo promijeniti oblatnu u SiGe kako bih ubrzao 10% istom snagom, ali trošak je 25% veći za oblatnu.Odatle mogu otići do napolitanki od safira itd. Zapeli ste na robnom tržištu.Ako nemate ograničenja u cijeni, morate raditi sve vrste urednih stvari koje se neće vidjeti u glavnom toku.SiCMOS nije brz, ali je sigurno jeftin.
@bdegnan Ovo biste trebali dodati kao odgovor.Komentari nisu za odgovore i ne traju vječno.
šest odgovori:
#1
+51
Krunal Desai
2016-06-06 02:46:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

GaN intenzivno koristim od 2013. ili tako nekako, prvenstveno za nišnu aplikaciju koja lako može iskoristiti jednu ogromnu prednost koju GaN ima u odnosu na toleranciju Si - zračenja. Ne postoji oksid za vrata koji bi mogao probušiti i patiti od SEGR-a, a javno istraživanje pokazalo je dijelove koji žive prije 1MRada s minimalnom razgradnjom. Nevjerojatna je i mala veličina - u veličini od možda četvrtine ili dvije (kovanica) s lakoćom možete implementirati pretvarač DC / DC od 10A +. Zajedno s mogućnošću kupnje s olovnim šipkama za lemljenje i nekim trećim stranama koje ih pakiraju u hermetički zatvorene pakete, oni su budućnost.

Skuplje je i "tricky" za rad. Ne postoji oksid vrata, već spoj metal-poluvodič, tako da je napon pogona vrata vrlo restriktivan (za način poboljšanja koji je izgradio EPC) - svaki višak napona uništit će dio. Trenutno je samo nekolicina javno dostupnih upravljačkih programa za vrata - ljudi tek sada počinju stvarati više upravljačkih programa i pružaju nam više mogućnosti od nacionalnih LM5113. 'Kanonska' implementacija koju ćete uočiti je FA-ovi BGA LM5113 + LGA GaN, jer čak i žice za povezivanje u drugim paketima dodaju previše induktivnosti. Podsjećanja radi, evo odakle dolazi to zvonjenje:

enter image description here

EPG-ovi eGaN uređaji koriste 2DEG i mogu se klasificirati kao HEMT u našem aplikacije. Odavde potječe puno njihovih glupo niskih RDS (uključenih) - obično su u jednoznamenkastim miliomima. Imaju nevjerojatno velike brzine, što znači da morate biti vrlo svjesni uključivanja izazvanog Millerovim efektom. Uz to, kao što je gore spomenuto, parazitske induktivnosti u sklopnoj petlji postaju puno kritičnije pri tim brzinama - zapravo morate razmisliti o svojoj dielektričnoj debljini i smještaju komponenata da bi induktivitet te petlje bio nizak (<3nH radi dobro, IIRC, ali kako je već raspravljeno dolje, može / bi trebao biti puno niži), kao što se također vidi dolje:

Illustration of the 2DEG enter image description here

Za EPC se također grade u uobičajenoj ljevaonici, smanjujući troškove. Među ostale ljude spadaju GaN sustavi, Triquint, Cree, itd. - neki od njih su posebno za RF potrebe, dok EPC prvenstveno cilja programe za pretvorbu energije / povezane programe (LIDAR, itd.). GaN je također izvorni način iscrpljivanja, tako da ljudi imaju različita rješenja za njihovo poboljšanje, uključujući jednostavno slaganje malog M-kanala s P-kanalom na vrata kako bi invertirali njegovo ponašanje.

Construction of eGaN Device

Još jedno zanimljivo ponašanje je "nedostatak" obrnutog naboja za oporavak, na štetu pada višeg od silicijeve diode u tom stanju. To je svojevrsna marketinška stvar - kažu vam da "jer nema manjinskih prijevoznika koji sudjeluju u provođenju u načinu poboljšanja GaN HEMT, nema povratnih gubitaka pri oporavku". Ono što oni nekako prikrivaju jest da je V_ {SD} općenito u rasponu od 2-3 V + u odnosu na 0,8 V u Si FET-u - što je nešto čega treba biti svjestan kao dizajner sustava.

Dodirnut ću i vrata opet - vaši vozači u osnovi moraju držati ~ 5,2V diodu za pokretanje kako bi spriječili pucanje vrata na dijelovima. Svaka višak induktivnosti na tragu vrata može dovesti do zvonjenja koje će uništiti dio, dok vaš prosječni Si MOSFET obično ima Vgs oko +/- 20V ili tako nekako. Morao sam provesti mnogo sati s toplom pištoljem zamjenjujući LGA dio jer sam ovo zabrljao.

Sve u svemu, obožavatelj sam dijelova za svoju prijavu. Mislim da cijena Si još nije dolje, ali ako radite nišu ili želite najveće moguće performanse, GaN je pravi put - pobjednici Google Little Box Challengea koristili su GaN stupanj snage u njihovom pretvaraču. Silicij je još uvijek jeftin, jednostavan za upotrebu i ljudi ga razumiju, posebno iz pouzdanog POV-a. Dobavljači GaN-a naporno će se truditi dokazati svoje podatke o pouzdanosti uređaja, ali MOSFET-ovi imaju mnogo desetljeća naučenih lekcija i podataka inženjerstva pouzdanosti na razini fizike uređaja kako bi uvjerili ljude da taj dio s vremenom neće izgorjeti. p>

Također napomena, ne pokušavajući shill za EPC, to je jednostavno dobavljač čija mi je topologija (GaN tranzistori u pojačanom načinu rada za napajanje) najpoznatija.Postoje i drugi - Cree, GaN Systems, itd.
Zanimljiva je brojka od 3 nH - neki od jako brzih krugova koje je EPC pokazivao imali su induktivitet petlje od 0,4 nH.Također su rekli da se osjetljivost napona na vratima smanjila s njihovim Gen 4 uređajima .... Ne igram se s GaN-om, uglavnom SiC-om, tako da nemam neposrednog iskustva.
Sjećam se nekih njihovih ranijih vodiča za papire / raspored za uređaje Gen1 / Gen2. Mislim da su bili u tom rasponu ... 0,4 nH je * matica *, koliko je tanak bio L1 / L2 dielektrik?Znam da postaje lakše ako koristite i njihove integrirane dijelove (skupljeni SW čvor).
Mislim da je bila debljina 4-8 mil (pokušavajući se sjetiti), iako u ovom primjeru nisu koristili dijelove s polumostovima.Ovo je bio dio njihovih studija topologija rasporeda i nisu koristili kombinirani uređaj.Sjećam se da sam razmišljao kako će GaN-ovi izgledi obogatiti kuće od ploča od svih posebnih zahtjeva.
Integrirani dijelovi (poput EPC2100, IIRC) definitivno jesu - za korištenje tih dijelova morate koristiti mikrovijuseve, nikako drugačije, osim ako nemate kuću koja može podnijeti neke impresivne omjere stranica s mikrobušenjem.
Promijenio sam koji se odgovor prihvaća.Ovo je dublje i upravo sam ono što sam tražio :) Volio bih da mogu prihvatiti dva odgovora kao prihvaćena.
Kao dodatna napomena o Si gate pogonu: možete raditi gotovo sve što želite da vozite Si MOSFET vrata.Radio sam ručno namotane transformatore za 50% radnog ciklusa, polumostove s promjenjivom frekvencijom i ležerno ubacio kvadratni val od ± 10V. GaN mnogo manje oprašta.
#2
+35
Bimpelrekkie
2016-06-05 15:16:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

to sigurno mora nadoknaditi ako se koristi u IC-ima

Pa ne, ne radi se iz nekoliko razloga:

  • GaN tranzistori ne mogu lako biti izrađen u današnjim proizvodnim procesima IC-a
  • Ne treba svaka aplikacija najbrži tranzistor
  • Ne treba svaka aplikacija najniži otpor
  • Ne treba svaka aplikacija visoku temperaturu ponašanje
  • GaN tranzistori ne mogu se učiniti tako malim kao najmanji MOS tranzistor

Usporedite ga s SiGe (Silicij Germanij) koji je dostupan godinama. Ima brže (bipolarne) tranzistore. Koristi li se svugdje? Ne, jer malo IC koristi bipolarne tranzistore. 99% današnjih IC-a koristi CMOS tranzistore samo što SiGe-ove proizvodne procese čini nišom primjenom.

Isto vrijedi i za GaN, korisno je samo za tranzistore snage . IC uglavnom nemaju potrebe za ovom vrstom tranzistora snage.

#3
+16
W5VO
2016-06-05 23:28:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

GaN integrirani krugovi

Trenutno GaN nije u mogućnosti da pretekne silicij u tipičnim IC primjenama jer litografija i obrada nisu zreli kao silicij, a CMOS GaN je još uvijek u ranim istraživanjima. Višestruka integracija tranzistora već je moguća s GaN-om, ali primarna primjena je prebacivanje napajanja jer se tu može ostvariti većina blagodati. Za velik broj sklopova uspješna implementacija GaN-a nije moguća ili se koristi samo u niši. Na primjer, GaN mikrokontroler nije nešto što se može postići trenutnom tehnologijom.


Međutim, u krugovima napajanja postoje mnoge prednosti koje možete ostvariti s trenutnim GaN uređajima:

Brže prebacivanje (donji R DS (uključen) za određeno područje matrice)

Uz veliku brzinu prebacivanja snage dolazi velika odgovornost za upravljanje parazitskom induktivnošću. Vidjet ćete loše ponašanje kruga s induktivitetima petlje iznad 1 nH i vrlo je teško izbjeći toliku induktivnost u vašem rasporedu. Za mnoge silicijske krugove možete se izvući s relativnim ubojstvom. Da biste maksimalno iskoristili ove tranzistore, morate obratiti pažnju na sve aspekte rasporeda pretvarača snage daleko iznad razine detalja koja se obično zahtijeva od silicijevih dizajna.

Manji paketi

Pakiranje je također manje, a EPC prodaje ono što je u osnovi lemljena naljepnica koju izravno pretočite na PCB. Na primjer, ovaj 40V, 16mΩ, 10A uređaj je 1,7 mm x 1,1 mm ili je malo veći od veličine otpornika 0603. Rukovanje i obrada moraju se pripremiti za tehnike u stilu BGA umjesto većih SMT dijelova ili prolazne rupe.

Dobro ponašanje na temperaturi

A dobar rad na temperaturi beskoristan je ako trebate imati standard silicijski dio pokraj njega za upravljanje.

Niski pogonski napon na vratima

Pogon niskog napona na vratima (obično 5V za EPC dijelove) također se podudara s niskim maksimalnim naponom na vratima (-4V do + 6V Vgs za gore povezani dio). To znači da vaš upravljački program vrata mora biti stabilan kako se uređaj ne bi oštetio, a (opet) vaš izgled mora biti dobar. Ovo je postalo bolje, ali i dalje zabrinjava.

Postoji velika želja da se prednosti GaN-a vide kao zamjenska zamjena za silicijski dio. Ovim tempom dodatni rad potreban za osiguranje stabilnog i sigurnog rada, a rad potreban za iskorištavanje brže brzine prebacivanja znači da neće jednostavno zamijeniti silicijeve FET-ove u starim izvedbama. Kao što FakeMoustache spominje, nisu vam uvijek potrebne vrhunske performanse (a ponekad tranzistor nije čak ni slabo mjesto).

#4
+4
Chris H
2016-06-06 13:10:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

GaN postaje koristan u pojačanju RF-a i pretvorbi napajanja (prebacivanje napajanja). U potonjem slučaju treba puno manje hlađenja od Si, u prvom može raditi brže.

Ali za RF pojačala, to se ne natječe samo sa Si, već se natječe s GaAs (npr. MMIC) i SiGe. Za pretvorbu snage, SiC također postaje zanimljiv.

Ali ne radi se samo o cijeni i konkurentskim tehnologijama. Najbolji GaN uređaji i za otpor i na brzinu prebacivanja su HEMT-ovi. GaN HEMT-ovi su obično uključeni uređaji¹ kojima je potrebna negativna pristranost vrata da bi ih isključili. To dodaje cijenu i složenost sustavu, a također znači da kvar upravljačkog kruga može dovesti do kvara tranzistora, što je "zanimljivo" ako imate posla s stvarima poput HVDC.

GaN se mora uzgajati na hetero-supstratu, što otežava rast (daljnje povećanje troškova). Unatoč dugogodišnjim istraživanjima, ovo još uvijek utječe na kvalitetu materijala epilajera, što utječe na kompromis performansi / vijeka trajanja.

Dakle, GaN će vjerojatno biti vrlo korisna tehnologija za određene primjene u nišama, postajući sve više mainstream ako razvija se brže od nekih konkurentskih tehnologija.


¹Radio sam s nekim GaN HEMT-ima na Si podlogama koje imaju pozitivan prag napona, ali mislim da još nijedna nije izašla na tržište .

#5
+2
Curd
2016-06-06 13:59:10 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pa zašto i dalje uglavnom proizvodimo Si tranzistore? Čak i ako je GaN tranzistor skuplji u proizvodnji, zasigurno mora nadoknaditi ako se koristi u IC-ima?

Zbog čega vjerujete da "sigurno mora nadoknaditi"? To definitivno nije slučaj .

(Njemački) članak GaN-a u Wikipediji kaže da je glavni problem u proizvodnji uređaja temeljenih na GaN-u bila i još uvijek je poteškoća u proizvodnji velikih monokristala. Članak također prikazuje, na primjer, jedan kristal čija je duljina samo 3 mm (čak i ako je moguće proizvesti veće, neće biti puno veći).

Za razliku od toga, moguće je proizvesti monokristale Si čiji je promjer gotovo pola metra (oko 500 mm) i čija je duljina višestruka od to.

Upravo ta ogromna razlika u dobivenoj veličini monokristala jasno govori da je ovladavanje Si tehnologijom mnogo naprednije od GaN tehnologije.

A ima više aspekata od veličine pojedinačnog kristala.

Vjerovao sam u to jer sam vidio neke grafikone koji prikazuju energiju rasipanja pri prebacivanju s uključenog na isključeno i obrnuto.Nisam shvatio da je to samo za tranzistore snage.
#6
  0
GLK
2019-06-04 22:27:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Problemi s rasporedom spomenuti u ranijim odgovorima postaju manje relevantni kod proizvođača koji integriraju upravljački program i tranzistor u jedan paket, čime se zaobilazi problem petlje vrata i zajedničke induktivnosti izvora.Dakle, u velikoj mjeri pitanje bi trebalo biti: "Do kada svugdje koristimo GaN?"



Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...