Tento článek se zabývá arsenidem galia a zkoumá jeho srovnání s ostatními populárními polovodičovými materiály a zkoumá různé komponenty využívající jednotlivé materiály.

Křemík si již dlouho drží své místo jako klíčový materiál v polovodičích. Arsenid galia spolu s dalšími sloučeninami, jako je nitrid galia a karbid křemíku, se však nyní dělí o místo na scéně. Co je tedy arsenid galia a jak se liší od ostatních sloučenin? Prozkoumejme tuto sloučeninu a podívejme se, jak se používá jako polovodičový materiál.

Co je arsenid galia?

Arsenid galia (GaAs) je sloučenina vytvořená z prvků galia a arsenu. Často se označuje jako sloučenina III-V, protože gallium a arsen patří do III. a V. skupiny periodické tabulky prvků.

Obrázek 1. Sloučenina arsenidu galia. Hnědá barva představuje gallium a fialová arsen. Obrázek se svolením Shandirai Malven Tunhuma – University of Pretoria.

Použití arsenidu galia není novou technologií. Ve skutečnosti agentura DARPA financuje výzkum této technologie již od 70. let 20. století. Zatímco technologie založená na křemíku byla „páteřní látkou mikroelektronické revoluce, obvody GaAs pracují na vyšších frekvencích a s výkonem zesílení signálu, které umožnily praktické využití světa propojeného mobilními telefony o velikosti dlaně“.

Arsenid gallitý vedl v 80. letech 20. století k miniaturizaci přijímačů GPS. To umožnilo výrobu přesné munice naváděné laserem, která se v tomto období dostala do amerického arzenálu.

Pásmové mezery v různých polovodičových materiálech

Aniž bychom se pouštěli do hluboké teoretické fyziky, pásmové mezery materiálu prostor mezi vrstvami atomového obalu materiálu. Větší prostor znamená, že je potřeba více energie k tomu, aby elektrony polovodiče „přeskočily“ do další slupky a polovodič přešel do vodivého stavu. Jak uvidíme, má to řadu důležitých důsledků.

Srovnání pásových mezer GaAs, Si, SiC a GaN

Díky vysoké pohyblivosti elektronů mohou polovodičová zařízení z GaAs fungovat na frekvencích v řádu stovek GHz.

Ačkoli GaAs není skutečně považován za materiál s „širokou pásovou mezerou“, má podstatně vyšší pásovou mezeru než křemík. Díky tomu je GaAs vysoce odolný vůči záření, a proto je skvělou volbou pro obranné a letecké aplikace. Další výhodou je, že zařízení GaAs jsou mnohem odolnější vůči teplu a vyzařují méně elektromagnetického rušení.

GaAs má přímou pásmovou mezeru na rozdíl od nepřímé pásmové mezery křemíku. Díky tomu může GaAs vyzařovat světlo mnohem efektivněji než zařízení vyrobená z křemíku. To dává GaAs LED diodám jasnou výhodu oproti těm vyrobeným z křemíku.

Důležitou výhodou křemíku je, že v reálném světě masové výroby se s křemíkem pracuje mnohem snadněji. Křemík má „vlastní oxid“, oxid křemičitý (SiO2). Tento hotový izolant je neocenitelnou výhodou při výrobě křemíkových zařízení. GaAs nemá žádnou obdobu.

V době psaní tohoto článku se vyvíjejí křemíkové procesy až na sedminanometrové úrovni. 500 nanometrů je zhruba nejnižší hodnota, kterou GaAs v současné době může dosáhnout. A i když je GaAs rychlý, vyžaduje energii. Pro běžnou středně a nízkorychlostní logiku tedy může být křemík stále tou správnou cestou

Nitrid galia a karbid křemíku

Jak je uvedeno níže, karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN) mají pásmové mezery, které výrazně převyšují pásmové mezery křemíku nebo GaAs.

Srovnání pásových mezer

Materiál	Pásová mezera
Křemík (Si)	1.1 elektronvolt (eV)
Arsenid galia (GaAs)	1.4 elektronvolty (eV)
Karbid křemíku (SiC)	3,0 elektronvoltů (eV)
Dusík galia (GaN)	3.4 elektronvolty (eV)

Karbid křemíku lze použít k výrobě výkonových tranzistorů MOSFET pro vysokonapěťové a výkonové aplikace pracující při vysokých frekvencích. Snášejí vysoké teploty a vyznačují se hodnotami RDS (on), které jsou s teplotou stabilní. RDS je odpor od drain ke source, což je mimořádně kritický parametr v jakékoli výkonové aplikaci.

Obrázek 2. Karbid křemíku. Obrázek (upravený) s laskavým svolením Munsterské univerzity.

Ditrid galia má ještě vyšší pásovou mezeru než karbid křemíku a také vyšší pohyblivost elektronů. Přirozeně nižší výstupní kapacita a kapacita hradla této technologie dále umožňují vysokorychlostní provoz. Zařízení GaN postrádají tělesovou diodu, která je vlastní zařízením na bázi křemíku. To slouží k eliminaci ztrát při zotavení, zvýšení provozní účinnosti a snížení elektromagnetického rušení.

Obrázek 3. Nitrid galia. Obrázek s laskavým svolením Bristolské univerzity.

Karbid křemíku lze použít k výrobě výkonových tranzistorů MOSFET pro vysokonapěťové a výkonové aplikace pracující při vysokých frekvencích. Snášejí vysoké teploty a vyznačují se hodnotami RDS (on), které jsou s teplotou stabilní. RDS je odpor od drain ke source, což je mimořádně kritický parametr v jakékoli výkonové aplikaci.

Ditrid galia má ještě vyšší pásovou propust než karbid křemíku a také vyšší pohyblivost elektronů. Přirozeně nižší výstupní kapacita a kapacita hradla této technologie dále umožňují vysokorychlostní provoz. Zařízení GaN postrádají tělesovou diodu, která je vlastní zařízením na bázi křemíku. To slouží k eliminaci ztrát při zotavení, zvýšení provozní účinnosti a snížení elektromagnetického rušení.

Zařízení LMG3410R050 GaN od společnosti Texas Instruments

Přístup společnosti TI spočívá v zahrnutí obvodů ovladače hradla spolu s 600V tranzistorem GaN. Mezi přirozené výhody LMG341xR050 (PDF) oproti křemíkovým MOSFETům patří velmi nízké vstupní a výstupní kapacity pro vysokorychlostní provoz. Další výhodou je snížení spínacích ztrát díky nulovému zpětnému zotavení.

Obrázek 4. LMG3410R050. Obrázek s laskavým svolením Texas Instruments.

Zařízení GaN, jako je LMG3410R050, nemají žádné ztráty při zpětném zotavení, protože na rozdíl od křemíkových MOSFETů není mezi zdrojem a odběrem přechod PN.

Integrovaný ovladač hradla je speciálně vyladěn na zařízení GaN pro rychlé řízení bez zvonění na hradle. Šetří čas, místo a náklady na kusovník pro výrobce OEM a chrání před poruchami tím, že poskytuje nadproudovou a nadteplotní ochranu.

Bilionový závazek společnosti Cree vůči SiC MOSFETům

Ve světě polovodičů s vysokým pásmovým rozpětím je SiC dalším silným soupeřem, což dokazuje závazek společnosti Cree vůči této technologii.

Cree nabízí mnoho SiC MOSFETů, včetně C2M0045170D. Toto zařízení je dimenzováno na 1700 V a 72 A. Maximální teplota spoje je 150 °C. Důležité je, že jeho RDS (zapnuto) je pouhých 45 miliohmů.

Modul CAB450M12XM3 (PDF) společnosti CAB450M12XM3 je 1200V, 450A modul s polovičním můstkem z karbidu křemíku.

Obrázek 5. Modul CAB450M12XM3. Obrázek s laskavým svolením společnosti Cree-Wolfspeed (PDF).

Kontinuální provoz na přechodu je možný při teplotě 175 °C. Toto vysoce výkonné zařízení je určeno pro:

• Motorové a trakční pohony
• Rychlonabíječky pro vozidla
• Nepřerušitelné zdroje napájení

LED diody z arsenidu galia

Tato zařízení jsou běžněji nabízena ve formě destiček, ale společnost Vishay nabízí TSUS4300 (PDF), diskrétní LED diodu GaAs vyzařující při 950 nanometrech. Jednou z jejich specifikací je, že nabízejí „dobrou spektrální shodu s fotodetektory Si“, což předznamenává ústřední bod naší další části níže.

Je arsenid galia lepší volbou než křemík?

Probrali jsme některá obecná tvrzení a celkové charakteristiky, ale konstruktéři musí pečlivě analyzovat konkrétní potřeby konkrétních návrhů a nečinit výběr materiálu na základě předpojatých představ. Někdy se ukáže, že odpověď nebude odpovídat původním očekáváním.

V článku Theresy Corriganové ze společnosti Analog Device jsou N-kanálové tranzistory CMOSFET postaveny do kontrastu se zařízeními GaAs, pokud slouží jako širokopásmové (900 MHz a vyšší) elektronické spínače.

Výhody GaAs

• Nízký zapínací odpor
• Nízká vypínací kapacita
• Vysoká linearita při vysokých frekvencích

.