Por que não usamos transistores GaN em todos os lugares?

Houve muita pesquisa em torno de transistores GaN, provando que eles têm uma resistência muito baixa, uma carga de porta baixa e são muito eficazes em altas temperaturas.

Então, por que ainda estamos produzindo principalmente transistores Si? Mesmo que o transistor GaN seja mais caro em produção, certamente deve compensar se for usado em CIs?

Uso o GaN extensivamente desde 2013 ou mais, principalmente para um aplicativo de nicho que pode se beneficiar facilmente de uma enorme vantagem que o GaN tem sobre a tolerância à radiação Si. Não há óxido de porta para perfurar e sofrer com a SEGR, e a pesquisa pública mostrou as partes que passaram pelo 1MRad com degradação mínima. O tamanho pequeno também é incrível - no tamanho de talvez um quarto ou dois (a moeda), você pode implementar um conversor 10A + DC / DC com facilidade. Juntamente com a capacidade de comprá-los com barras de solda com chumbo, e alguns terceiros embalando-os em embalagens hermeticamente fechadas, eles são o futuro.

É mais caro e "mais complicado" de se trabalhar. Não há óxido de porta, apenas uma junção metal-semicondutora, portanto a tensão de acionamento da porta é altamente restritiva (para o modo de aprimoramento construído pelo EPC) - qualquer tensão em excesso destruirá a peça. Atualmente, existem apenas alguns drivers de porta disponíveis publicamente - as pessoas estão começando a criar mais drivers e nos oferecem mais opções do que o National LM5113. A implementação 'canônica' que você verá ao redor são os FETs BGA LM5113 + LGA GaN, porque mesmo os fios de ligação em outros pacotes adicionam muita indutância. Como lembrete, é aqui que o toque vem:

Os dispositivos eGaN da EPC utilizam um 2DEG e podem ser classificados como HEMT em nossas aplicações. É daí que vem a maior parte de seu RDS estupidamente baixo - geralmente em miliohms de um dígito. Eles têm velocidades incrivelmente rápidas, o que significa que você precisa estar muito ciente da ativação induzida pelo efeito Miller. Além disso, como mencionado acima, as indutâncias parasitas no loop de comutação se tornam muito mais críticas nessas velocidades - você realmente precisa pensar nas espessuras dielétricas e na colocação dos componentes para manter a indutância do loop baixa (<3nH está bom, IIRC, mas como discutido abaixo, ele pode / deve ser muito menor), como também visto abaixo:

Para EPC, eles também são construídos em uma fundição convencional, reduzindo os custos. Outras pessoas incluem sistemas GaN, Triquint, Cree, etc - alguns deles são especificamente para fins de RF, enquanto o EPC visa principalmente aplicativos relacionados à conversão de energia / (LIDAR, etc.). O GaN também é nativo no modo de depleção, então as pessoas têm soluções diferentes para aprimorá-los, incluindo simplesmente empilhar um pequeno MOSFET de canal P no portão para inverter seu comportamento.

Outro comportamento interessante é a "falta" de cobrança reversa de recuperação, às custas de uma queda de diodo superior ao silício, quando nesse estado. É uma espécie de coisa de marketing - eles dizem que "porque não há operadoras minoritárias envolvidas na condução em um GaN HEMT no modo de aprimoramento, não há perdas de recuperação reversa". O que eles menosprezam é ​​que V_ {SD} geralmente está na faixa de 2-3V + em comparação com 0,8V em um Si FET - apenas algo que você deve conhecer como projetista de sistemas.

Também tocarei no portão novamente - seus drivers basicamente precisam manter um diodo de boot de ~ 5,2V internamente para evitar rachaduras nos portões das peças. Qualquer indutância em excesso no rastreamento do portão pode levar a um toque que destruirá a peça, enquanto o seu MOSFET de Si médio geralmente tem um Vgs em torno de +/- 20V ou mais. Eu tive que passar muitas horas com uma pistola de ar quente substituindo uma peça da LGA porque eu estraguei tudo.

No geral, sou fã das peças da minha aplicação. Ainda não acho que o custo seja baixo com o Si, mas se você estiver trabalhando em um nicho ou quiser o melhor desempenho possível, o GaN é o caminho a percorrer - os vencedores do Google Little Box Challenge usaram um GaN baseado em estágio de potência em seu conversor. O silício ainda é barato, fácil de usar e as pessoas o entendem, especialmente a partir de um ponto de vista de confiabilidade. Os fornecedores de GaN estão se esforçando para provar seus números de confiabilidade de dispositivos, mas os MOSFETs têm muitas décadas de dados de engenharia de lições aprendidas e de confiabilidade no nível de física de dispositivos para convencer as pessoas de que a peça não será queimada com o tempo.

certamente deve compensar se for usado nos CIs

Bem, não, por várias razões:

• Os transistores GaN não podem ser facilmente fabricados nos processos de fabricação atuais de IC
• Nem toda aplicação precisa do transistor mais rápido
• Nem toda aplicação precisa da menor resistência
• Nem toda aplicação precisa do comportamento de alta temperatura
• Os transistores GaN não podem ser fabricados tão pequenos quanto o menor transistor MOS

Compare com o SiGe (Silicon Germanium), que está disponível há muitos anos. Possui transistores mais rápidos (bipolares). É usado em qualquer lugar? Não, porque poucos ICs usam transistores bipolares. 99% dos CIs atuais usam transistores CMOS, tornando os processos de fabricação SiGe uma aplicação de nicho.

O mesmo vale para GaN, é útil apenas para transistores de potência . Os CIs geralmente não precisam desse tipo de transistor de potência.

Circuitos integrados GaN

Atualmente, o GaN não está em posição de superar o silício em aplicações típicas de IC, já que a litografia e o processamento não são tão maduros quanto o silício, e o CMOS GaN ainda está em pesquisas iniciais. A integração de múltiplos transistores já é possível com o GaN, mas a principal aplicação é a troca de energia, porque é aí que a maioria dos benefícios pode ser alcançada. Para um grande número de circuitos, uma implementação GaN bem-sucedida não é possível ou possui apenas usos de nicho. Um microcontrolador GaN não é algo possível com a tecnologia atual, por exemplo.

No entanto, em circuitos de energia, há muitas vantagens que você pode obter com os dispositivos GaN atuais:

Troca mais rápida ( _DS inferior (ativado ₎ para uma determinada área de matriz)

Com grande velocidade de comutação de energia, é de grande responsabilidade gerenciar a indutância parasitária. Você verá um comportamento adverso do circuito com indutâncias de loop acima de 1 nH, e é muito difícil evitar tanta indutância em seu layout. Em muitos circuitos de silício, você pode se safar com um assassinato relativo. Para tirar o máximo proveito desses transistores, você deve prestar atenção a todos os aspectos do layout do seu conversor de energia muito além do nível de detalhe normalmente exigido pelos projetos de silício.

Pacotes menores

A embalagem também é menor, com a EPC vendendo o que são essencialmente matrizes soldadas por solda que você reflecte diretamente em uma PCB. Por exemplo, este dispositivo de 40V, 16mΩ, 10A é 1,7 mm x 1,1 mm, ou um pouco maior que o tamanho de um resistor 0603. O manuseio e o processamento devem ser preparados para técnicas no estilo BGA, em vez de peças SMT maiores ou orifícios passantes.

Bom comportamento da temperatura

E uma boa operação de temperatura é inútil se você precisar de uma peça de silicone padrão ao lado para controlá-la.

Baixa tensão de acionamento do portão

O inversor de baixa tensão da porta (normalmente 5V para peças EPC) também é correspondido com uma baixa tensão máxima da porta (-4V a + 6V Vgs para a peça ligada acima). Isso significa que o driver do seu portão deve estar firme para impedir que o dispositivo se danifique e (novamente) seu layout deve estar bom. Isso ficou melhor, mas ainda é uma preocupação.

Há muito desejo de ver os benefícios do GaN como um substituto para uma peça de silicone. Nesse ritmo, o trabalho adicional necessário para garantir uma operação estável e segura, e o trabalho necessário para tirar proveito da velocidade de comutação mais rápida significa que ele não substituirá simplesmente os FETs de silicone em projetos antigos. Como o FakeMoustache menciona, você nem sempre precisa de um desempenho superior (e às vezes o transistor nem é o ponto fraco).

O GaN está se tornando útil na amplificação de RF e conversão de energia (comutação de fontes de alimentação). No último caso, ele precisa de muito menos resfriamento que o Si; no primeiro, ele pode correr mais rápido.

Mas para os usos de amplificação de RF, não está apenas competindo com o Si, está competindo com GaAs (por exemplo, MMICs) e SiGe. Para conversão de energia, o SiC também está se tornando interessante.

Mas não se trata apenas do custo e das tecnologias concorrentes. Os melhores dispositivos GaN para resistência e velocidade de comutação são HEMTs. Os HEMTs GaN são dispositivos normalmente ligados¹, exigindo um viés de porta negativo para desativá-los. Isso adiciona custo e complexidade ao sistema e também significa que uma falha no circuito de controle pode levar à falha do transistor, o que é "interessante" se você estiver lidando com coisas como HVDC.

O GaN deve ser cultivado em um hetero-substrato, o que dificulta o crescimento (aumentando ainda mais o custo). Apesar de anos de pesquisa, isso ainda afeta a qualidade do material das epilayers, com implicações para a troca desempenho / vida útil.

Portanto, o GaN provavelmente será uma tecnologia muito útil para determinadas aplicações de nicho, tornando-se mais popular se se desenvolver mais rapidamente do que algumas das tecnologias rivais.

¹Trabalhei com alguns GaN HEMTs em substratos de Si com uma tensão de limiar positiva, mas acho que ainda não chegaram ao mercado.

Então, por que ainda estamos produzindo principalmente transistores Si? Mesmo que o transistor GaN seja mais caro em produção, certamente deve compensar se for usado em CIs?

O que faz você acreditar que "certamente deve compensar"? Definitivamente não é o caso.

O artigo (alemão) do GaN na Wikipedia diz que o principal problema na produção de dispositivos baseados em GaN era e ainda é a dificuldade de produzir grandes cristais únicos. O artigo também mostra, por exemplo, um único cristal cujo comprimento é de apenas 3 mm (mesmo que seja possível produzir cristais maiores, não será muito maior).

Em contraste, é possível produzir cristais simples de Si, cujo diâmetro é quase meio metro (ca. 500 mm) e cujo comprimento é múltiplo disso.

Apenas essa enorme diferença no tamanho de cristal único disponível deixa claro que o domínio da tecnologia Si é muito mais avançado que a GaN Technology.

E há mais aspectos do que o tamanho de um único cristal.

Os problemas de layout mencionados nas respostas anteriores estão se tornando menos relevantes com os fabricantes que integram o driver e o transistor em um único pacote, contornando o problema do loop de porta e da indutância de fonte comum. Portanto, em grande parte, a pergunta deve ser: "Quando estamos usando o GaN em todos os lugares?"