Ez a cikk a gallium-arzeniddel foglalkozik, és megvizsgálja, hogyan viszonyul más népszerű félvezető anyagokhoz, valamint az egyes anyagokat használó különböző komponenseket.

A szilícium régóta a félvezetők legfontosabb anyagaként tartja meg helyét. A gallium-arzenid azonban más vegyületekkel, például a gallium-nitriddel és a szilícium-karbiddal együtt mostanában osztozik a színpadon. Mi is az a gallium-arzenid, és miben különbözik a többi vegyülettől? Fedezzük fel ezt a vegyületet, és nézzük meg, hogyan használják félvezető anyagként.

Mi a galliumarzenid?

A galliumarzenid (GaAs) a gallium és az arzén elemekből felépülő vegyület. Gyakran nevezik III-V vegyületnek, mivel a gallium és az arzén a periódusos rendszer III., illetve V. csoportjában található.

1. ábra. A galliumarzenid vegyület. A barna a galliumot, a lila pedig az arzént jelöli. A kép Shandirai Malven Tunhuma – University of Pretoria jóvoltából.

A gallium-arzenid alkalmazása nem új technológia. Valójában a DARPA már az 1970-es évek óta finanszírozza a technológia kutatását. Míg a szilícium-alapú technológia “a mikroelektronikai forradalom gerincanyaga volt, a GaAs áramkörök olyan magasabb frekvenciákon és jelerősítési teljesítményekkel működnek, amelyek a tenyérnyi mobiltelefonok által összekapcsolt világot gyakorlativá tették”.

A galliumarzenid vezetett a GPS-vevők miniatürizálásához az 1980-as években. Ez tette lehetővé a lézerirányítású, precíziós lőszereket, amelyek ebben az időszakban kerültek az amerikai arzenálokba.”

Sávhézagok különböző félvezető anyagokban

Mély elméleti fizikába való belemerülés nélkül, egy anyag sávhézagai az anyag atomi héjrétegei közötti tér. A nagyobb tér azt jelenti, hogy több energiára van szükség ahhoz, hogy a félvezető elektronjai “átugorjanak” a következő héjra, és a félvezető vezető állapotba kerüljön. Mint látni fogjuk, ennek számos fontos következménye van.

A GaAs, Si, SiC és GaN sávhézagok összehasonlítása

A nagy elektronmozgékonyságnak köszönhetően a GaAs-ból épített félvezető eszközök több száz GHz-es frekvenciákon is működhetnek.

A GaAs ugyan nem tekinthető igazán “széles sávhézagú” anyagnak, de sávhézaga lényegesen nagyobb, mint a szilíciumé. A GaAs emiatt rendkívül ellenálló a sugárzással szemben, és ezért kiváló választás a védelmi és űrkutatási alkalmazásokhoz. További előnye, hogy a GaAs eszközök sokkal ellenállóbbak a hővel szemben, és kevesebb EMI-t bocsátanak ki.

A GaAs közvetlen sávhézaggal rendelkezik, szemben a szilícium közvetett sávhézagával. Emiatt a GaAs sokkal hatékonyabban képes fényt kibocsátani, mint a szilíciumból készültek. Ez egyértelmű előnyt jelent a GaAs LED-ek számára a szilíciumból készültekkel szemben.

A szilícium nagy előnye, hogy a tömeggyártás valós világában a szilíciummal sokkal könnyebb dolgozni. A szilíciumnak van egy “natív oxidja”, a szilícium-dioxid (SiO2). Ez a kész szigetelő felbecsülhetetlen értéket képvisel a szilíciumeszközök gyártása során. A GaAs nem rendelkezik analóggal.

Az e sorok írásakor a hét nanométeres szintig terjedő szilíciumeljárások kifejlesztése folyamatban van. Az 500 nanométer körülbelül olyan alacsony, amennyire a GaAs jelenleg képes. És bár a GaAs gyors, de energiát igényel. Így az átlagos közepes és alacsony sebességű logikai rendszerekhez még mindig a szilícium lehet a megoldás

Gallium-nitrid és szilícium-karbid

Amint azt alább részletezzük, a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) sávhézagai jelentősen meghaladják a szilícium vagy a GaAs sávhézagait.

Sávhézagok összehasonlítása

Anyag	Sávhézag
Silícium (Si)	1.1 elektronvolt (eV)
Galliumarzenid (GaAs)	1.4 elektronvolt (eV)
Silíciumkarbid (SiC)	3,0 elektronvolt (eV)
Gallium-nitrid (GaN)	3.4 elektronvolt (eV)

Silícium-karbidot lehet alkalmazni nagyfeszültségű, nagy teljesítményű, nagy frekvencián működő alkalmazásokhoz szükséges teljesítmény-MOSFET-ek építésére. Magas hőmérsékletet is elviselnek, és a hőmérséklet függvényében stabil RDS (bekapcsolási) értékekkel rendelkeznek. Az RDS a lefolyó és a forrás közötti ellenállás, amely rendkívül kritikus paraméter minden teljesítményalkalmazásnál.

2. ábra. Szilícium-karbid. A kép (módosítva) a Münsteri Egyetem jóvoltából.

A gallium-nitridnek még nagyobb a sávhézaga, mint a szilícium-karbidnak, és az elektronok mozgékonysága is nagyobb. A technológia eredendően alacsonyabb kimeneti és kapukapacitásának köszönhetően nagy sebességű működést tesz lehetővé. A GaN-eszközökből hiányzik a szilíciumalapú eszközökben rejlő testdióda. Ez a visszanyerési veszteség kiküszöbölését, a működési hatékonyság növelését és az EMI csökkentését szolgálja.

3. ábra. Gallium-nitrid. A kép a Bristoli Egyetem jóvoltából.

A szilíciumkarbidot nagyfeszültségű, nagy teljesítményű, nagy frekvencián működő alkalmazásokban alkalmazható teljesítmény-MOSFET-ek építésére lehet használni. Ezek magas hőmérsékletet is elviselnek, és a hőmérséklet függvényében stabil RDS (bekapcsolási) értékekkel rendelkeznek. Az RDS a lefolyó és a forrás közötti ellenállás, amely rendkívül kritikus paraméter minden teljesítményalkalmazásnál.

A gallium-nitridnek még nagyobb a sávhézaga, mint a szilícium-karbidnak, és nagyobb az elektronok mozgékonysága is. A technológia eredendően alacsonyabb kimeneti és kapukapacitásának köszönhetően még inkább lehetővé teszi a nagy sebességű működést. A GaN-eszközökből hiányzik a szilíciumalapú eszközökben rejlő testdióda. Ez a visszanyerési veszteségek kiküszöbölését, a működési hatékonyság növelését és az EMI csökkentését szolgálja.

A Texas Instruments LMG3410R050 GaN eszköz

Az ITI megközelítése az, hogy a 600 V-os GaN tranzisztor mellett kapu meghajtó áramkört is tartalmaz. Az LMG341xR050 (PDF) inherens előnyei a szilícium MOSFET-ekkel szemben többek között az ultraalacsony bemeneti és kimeneti kapacitások a nagy sebességű működéshez. További előnye a kapcsolási veszteség csökkentése a nulla fordított visszaállás révén.

4. ábra. Az LMG3410R050. A kép a Texas Instruments jóvoltából.

Az olyan GaN-eszközök, mint az LMG3410R050, nem rendelkeznek fordított helyreállítási veszteségekkel, mivel a szilícium MOSFETS-ektől eltérően nincs PN-összeköttetés a forrás és a lefolyó között.

A beépített kapu meghajtó speciálisan a GaN eszközre van hangolva a gyors meghajtás érdekében, a kapu csengése nélkül. Időt, helyet és BOM-költséget takarít meg az OEM-ek számára, és túláram- és túlhőmérséklet-védelemmel véd a hibák ellen.

Cree milliárd dolláros elkötelezettsége a SiC MOSFET-ek mellett

A nagy sávszélességű félvezetők világában a SiC egy újabb erős versenyző, amit a Cree elkötelezettsége is bizonyít a technológia mellett.

A Cree számos SiC MOSFET-et kínál, köztük a C2M0045170D-t. Ez az eszköz 1700V-ra és 72A-ra van méretezve. A maximális csatlakozási hőmérséklet 150°C. Fontos, hogy az RDS (bekapcsolt állapotban) mindössze 45 milliohm.

A vállalat CAB450M12XM3 (PDF) egy 1200V-os, 450A-s szilícium-karbid félhíd modul.

5. ábra. A CAB450M12XM3. A kép a Cree-Wolfspeed (PDF) jóvoltából.

Folyamatos csomóponti működés 175°C-on is lehetséges. Ezt a nagy teljesítményű eszközt a következő célokra tervezték:

• Motor- és vontatórudak
• Gépjárművek gyorstöltői
• Szünetmentes tápegységek

Gallium-arzenid LED-ek

Ezeket az eszközöket inkább ostyában kínálják, de a Vishay kínálja a TSUS4300 (PDF) diszkrét, 950 nanométeren sugárzó GaAs LED-et. Az egyik specifikációjuk az, hogy “jó spektrális illeszkedést kínálnak a Si fotodetektorokhoz”, ami előrevetíti a következő, alábbi szakaszunk központi pontját.

A galliumarzenid jobb választás, mint a szilícium?

Tárgyaltunk néhány általánosságot és általános jellemzőt, de a tervezőknek gondosan elemezniük kell a konkrét tervek egyedi igényeit, és nem előítéletek alapján kell meghozniuk az anyagválasztást. Néha a válasz nem az lesz, amire eredetileg számítottunk.

Az Analog Device munkatársa, Theresa Corrigan által írt cikkben az N-csatornás CMOS MOSFET-eket a GaAs eszközökkel állítják szembe, amikor szélessávú (900 MHz és magasabb) elektronikus kapcsolóként szolgálnak.

A GaAs előnyei

• alacsony bekapcsolási ellenállás
• alacsony kikapcsolási kapacitás
• magas linearitás magas frekvenciákon

.