¿Por qué no usamos transistores GaN en todas partes?

Se han realizado muchas investigaciones en torno a los transistores GaN, demostrando que tienen una resistencia muy baja, baja carga de compuerta y son muy efectivos a altas temperaturas.

Entonces, ¿por qué seguimos produciendo principalmente transistores de Si? Incluso si el transistor GaN es más caro en producción, ¿seguramente debe compensar si se usa en circuitos integrados?

He estado usando GaN ampliamente desde 2013 más o menos, principalmente para una aplicación de nicho que puede beneficiarse fácilmente de una gran ventaja que tiene GaN sobre la tolerancia a la radiación de Si. No hay óxido de puerta para perforar y sufrir SEGR, y la investigación pública ha demostrado que las partes que viven más allá de 1MRad tienen una degradación mínima. El tamaño pequeño también es sorprendente: en el tamaño de quizás un cuarto o dos (la moneda), puede implementar un convertidor 10A + DC / DC con facilidad. Junto con la capacidad de comprarlos con barras de soldadura con plomo, y algunos terceros los empacan en paquetes sellados herméticamente, son el futuro.

Es más costoso y "más complicado" trabajar con él. No hay óxido de compuerta, solo una unión semiconductora de metal, por lo que el voltaje de accionamiento de la compuerta es altamente restrictivo (para el modo de mejora construido por EPC): cualquier exceso de voltaje destruirá la pieza. En este momento, solo hay un puñado de controladores de compuerta disponibles públicamente: la gente recién ahora está comenzando a construir más controladores y a darnos más opciones que el National LM5113. La implementación 'canónica' que verá a su alrededor son los FET BGA LM5113 + LGA GaN, porque incluso los cables de enlace en otros paquetes agregan demasiada inductancia. Como recordatorio, aquí es de donde proviene ese timbre:

Los dispositivos eGaN de EPC utilizan un 2DEG y pueden clasificarse como HEMT en nuestras aplicaciones. Aquí es de donde proviene gran parte de su estúpidamente bajo RDS (encendido), generalmente en miliohms de un solo dígito. Tienen velocidades increíblemente rápidas, lo que significa que debes ser muy consciente del encendido inducido por el efecto Miller. Además, como se mencionó anteriormente, las inductancias parásitas en el bucle de conmutación se vuelven mucho más críticas a estas velocidades: en realidad, debe pensar en los espesores dieléctricos y la ubicación de los componentes para mantener baja la inductancia del bucle (<3nH funciona bien, IIRC, pero como discutido a continuación, puede / debería ser mucho más bajo), como también se ve a continuación:

Para EPC, también se construyen en una fundición convencional, lo que reduce los costos. Otras personas incluyen sistemas GaN, Triquint, Cree, etc., algunos de ellos son específicamente para fines de RF, mientras que EPC apunta principalmente a la conversión de energía / aplicaciones relacionadas (LIDAR, etc.). GaN también es un modo de agotamiento nativo, por lo que las personas tienen diferentes soluciones para mejorarlas, incluyendo simplemente apilar un pequeño MOSFET de canal P en la puerta para invertir su comportamiento.

Otro comportamiento interesante es la "falta" de carga de recuperación inversa, a expensas de una caída de diodo superior al silicio cuando se encuentra en ese estado. Es una especie de marketing: le dicen que "porque no hay operadores minoritarios involucrados en la conducción en un GaN HEMT en modo de mejora, no hay pérdidas de recuperación inversa". Lo que más les gusta es que V_ {SD} generalmente está en el rango de 2-3V + en comparación con 0.8V en un Si FET, solo algo a tener en cuenta como diseñador de sistemas.

También tocaré la puerta nuevamente: sus controladores básicamente tienen que mantener un diodo de arranque de ~ 5.2V internamente para evitar que se rompan las puertas de las piezas. Cualquier exceso de inductancia en la traza de la puerta puede provocar un timbre que destruirá la parte, mientras que su MOSFET de Si promedio generalmente tiene un Vgs alrededor de +/- 20V más o menos. He tenido que pasar muchas horas con una pistola de aire caliente reemplazando una parte LGA porque lo estropeé.

En general, soy fanático de las partes para mi aplicación. Todavía no creo que el costo sea bajo con Si, pero si estás haciendo un nicho de trabajo o quieres el mayor rendimiento posible, GaN es el camino a seguir: los ganadores del Google Little Box Challenge utilizaron un GaN basado en GaN etapa de potencia en su convertidor. El silicio sigue siendo barato, fácil de usar y la gente lo entiende, especialmente desde un punto de vista de confiabilidad. Los proveedores de GaN harán todo lo posible para demostrar las cifras de confiabilidad de su dispositivo, pero los MOSFET tienen muchas décadas de lecciones aprendidas y datos de ingeniería de confiabilidad a nivel de física del dispositivo para convencer a la gente de que la parte no se agotará con el tiempo.

seguramente debe compensar si se usa en IC

Pues no, no lo hace por varias razones:

• Los transistores GaN no pueden fabricarse fácilmente en los procesos de fabricación de circuitos integrados actuales
• No todas las aplicaciones necesitan el transistor más rápido
• No todas las aplicaciones necesitan la menor resistencia
• No todas las aplicaciones necesitan el comportamiento a altas temperaturas.
• Los transistores GaN no se pueden hacer tan pequeños como el transistor MOS más pequeño

Compárelo con SiGe (Silicon Germanium) que ha estado disponible durante muchos años. Tiene transistores más rápidos (bipolares). ¿Se usa en todas partes? No, porque pocos circuitos integrados utilizan transistores bipolares. El 99% de los circuitos integrados actuales usan transistores CMOS que solo hacen que los procesos de fabricación de SiGe sean una aplicación de nicho.

Lo mismo es cierto para GaN, solo es útil para los transistores de potencia . Los circuitos integrados generalmente no necesitan este tipo de transistores de potencia.

Circuitos integrados de GaN

Actualmente, GaN no está en condiciones de adelantar al silicio en las aplicaciones de CI típicas, ya que la litografía y el procesamiento no son tan maduros como el silicio, y CMOS GaN aún se encuentra en una investigación inicial. La integración de transistores múltiples ya es posible con GaN, pero la aplicación principal es el cambio de alimentación porque es allí donde se pueden obtener la mayoría de los beneficios. Para una gran cantidad de circuitos, una implementación exitosa de GaN no es posible o solo tiene usos de nicho. Un microcontrolador GaN no es algo alcanzable con la tecnología actual, por ejemplo.

Sin embargo, en los circuitos de alimentación, existen muchas ventajas que puede obtener con los dispositivos GaN actuales:

Cambio más rápido (R _DS inferior (activado ₎ para un área de dado determinada)

Con una gran velocidad de conmutación de potencia, viene la gran responsabilidad de controlar la inductancia parasitaria. Verá un comportamiento adverso del circuito con inductancias de bucle superiores a 1 nH, y es muy difícil evitar tanta inductancia en su diseño. Para muchos circuitos de silicio, puedes escapar con un asesinato relativo. Para aprovechar al máximo estos transistores, debe prestar atención a todos los aspectos del diseño de su convertidor de potencia mucho más allá del nivel de detalle típicamente requerido por los diseños de silicio.

Paquetes más pequeños

El embalaje también es más pequeño, con EPC que vende lo que son esencialmente troqueles de soldadura que se transfieren directamente a una PCB. Por ejemplo, este dispositivo de 40V, 16mΩ, 10A es 1.7mm x 1.1mm, o un poco más grande que el tamaño de una resistencia 0603. El manejo y el procesamiento deben estar preparados para técnicas de estilo BGA en lugar de piezas SMT más grandes o agujeros pasantes.

Buen comportamiento de la temperatura

Y una buena operación de temperatura es inútil si necesita tener una parte de silicio estándar al lado para controlarla.

Bajo voltaje de accionamiento de la puerta

El variador de voltaje de puerta bajo (generalmente 5 V para piezas EPC) también se combina con un voltaje de puerta máximo bajo (-4 V a + 6 V Vgs para la parte vinculada anteriormente). Esto significa que su controlador de puerta debe ser estable para evitar que el dispositivo se dañe, y (nuevamente) su diseño debe ser bueno. Esto ha mejorado, pero sigue siendo una preocupación.

Existe un gran deseo de ver los beneficios de GaN como un reemplazo directo para una pieza de silicio. A este ritmo, el trabajo adicional necesario para garantizar un funcionamiento estable y seguro, y el trabajo necesario para aprovechar la velocidad de conmutación más rápida significa que no reemplazará simplemente a los FET de silicio en diseños antiguos. Como menciona FakeMoustache , no siempre se necesita un rendimiento superior (y a veces el transistor ni siquiera es el punto débil).

GaN se está volviendo útil en la amplificación de RF y la conversión de energía (fuentes de alimentación conmutadas). En el último caso, necesita mucho menos enfriamiento que el Si, en el primero puede funcionar más rápido.

Pero para los usos de amplificación de RF, no solo compite con Si, sino que también compite con GaAs (por ejemplo, MMIC) y SiGe. Para la conversión de energía, SiC también se está volviendo interesante.

Pero no se trata solo del costo y las tecnologías de la competencia. Los mejores dispositivos GaN tanto para la resistencia de encendido como para la velocidad de conmutación son los HEMT. Los HEMT de GaN son dispositivos normalmente encendidos que requieren un sesgo de puerta negativo para apagarlos. Esto agrega costo y complejidad al sistema, y ​​también significa que una falla en el circuito de control puede provocar la falla del transistor, lo cual es "interesante" si se trata de cosas como HVDC.

GaN tiene que crecer en un hetero-sustrato, lo que hace que el crecimiento sea más difícil (lo que aumenta aún más el costo). A pesar de años de investigación, esto todavía afecta la calidad del material de las epilayers, con implicaciones para el rendimiento / compensación de por vida.

Por lo tanto, es probable que GaN sea una tecnología muy útil para ciertas aplicaciones de nicho, y se vuelva más convencional si se desarrolla más rápido que algunas de las tecnologías rivales.

¹He trabajado con algunos HEMT de GaN en sustratos de Si que tienen un voltaje de umbral positivo, pero no creo que ninguno haya llegado al mercado.

Entonces, ¿por qué seguimos produciendo principalmente transistores de Si? Incluso si el transistor GaN es más caro en producción, ¿seguramente debe compensar si se usa en circuitos integrados?

¿Qué te hace creer que "seguramente debe compensar"? Definitivamente no es el caso.

El artículo de Wikipedia (alemán) de GaN dice que el principal problema en la producción de dispositivos basados ​​en GaN era y sigue siendo la dificultad de producir grandes cristales individuales. El artículo también muestra, por ejemplo, un solo cristal cuya longitud es de solo 3 mm (incluso si fuera posible producir unos más grandes, no será mucho más grande).

En contraste con eso, es posible producir cristales individuales de Si cuyo diámetro es de casi medio metro (ca. 500 mm) y cuya longitud es un múltiplo de eso.

Solo esta gran diferencia en el tamaño de cristal único obtenible deja en claro que dominar la tecnología Si es mucho más avanzada que la Tecnología GaN.

Y hay más aspectos que el tamaño de cristal único.

Los problemas de diseño mencionados en las respuestas anteriores son cada vez menos relevantes con los fabricantes que integran el controlador y el transistor en un solo paquete, evitando así el problema del bucle de puerta y la inductancia de fuente común. Entonces, en gran medida, la pregunta debería ser: "¿Para cuándo estamos usando GaN en todas partes?"