W tym artykule przyjrzymy się arsenkowi galu i zbadamy, jak wypada on w porównaniu z innymi popularnymi materiałami półprzewodnikowymi, a także zbadamy różne składniki wykorzystujące każdy z tych materiałów.

Krzem od dawna zajmuje swoje miejsce jako kluczowy materiał w półprzewodnikach. Jednak arsenek galu, wraz z innymi związkami, takimi jak azotek galu i węglik krzemu, są teraz dzieląc scenę. Czym więc jest arsenek galu i czym różni się od innych związków? Poznajmy ten związek i przyjrzyjmy się, jak jest on wykorzystywany jako materiał półprzewodnikowy.

Czym jest arsenek galu?

Arsenek galu (GaAs) jest związkiem zbudowanym z pierwiastków galu i arsenu. Często określa się go jako związek III-V, ponieważ gal i arsen znajdują się odpowiednio w III grupie i V grupie układu okresowego.

Rysunek 1. Związek arsenku galu. Kolor brązowy reprezentuje gal, a fioletowy arsen. Obraz dzięki uprzejmości Shandirai Malven Tunhuma – University of Pretoria.

Wykorzystanie arsenku galu nie jest nową technologią. W rzeczywistości, DARPA finansuje badania nad tą technologią od lat 70-tych. Podczas gdy technologia oparta na krzemie była „substancją szkieletową rewolucji mikroelektronicznej, obwody GaAs działają na wyższych częstotliwościach i mocach wzmacniających sygnały, które uczyniły praktycznym świat połączony telefonami komórkowymi wielkości dłoni.”

Arsenek galu doprowadził do miniaturyzacji odbiorników GPS w latach 80-tych. To sprawiło, że kierowana laserem, precyzyjna amunicja, która weszła do amerykańskich arsenałów w tym okresie czasu była możliwa.

Bandgaps in Different Semiconductor Materials

Bez wchodzenia w głęboką fizykę teoretyczną, bandgaps materiału przestrzeń pomiędzy warstwami powłoki atomowej materiału. Większa przestrzeń oznacza, że potrzeba więcej energii, aby elektrony półprzewodnika „przeskoczyły” do następnej powłoki i aby półprzewodnik przeszedł w stan przewodzenia. Jak zobaczymy, ma to wiele ważnych konsekwencji.

Porównanie GaAs, Si, SiC, i GaN Bandgaps

Z wysoką mobilnością elektronów, urządzenia półprzewodnikowe zbudowane z GaAs mogą funkcjonować przy częstotliwościach w setkach GHz.

Chociaż nie jest naprawdę uważany za „szeroki bandgap” materiał, GaAs ma znacznie wyższą bandgap niż krzem robi. Krytycznie, to sprawia, że GaAs jest bardzo odporny na promieniowanie i dlatego jest doskonałym wyborem dla obrony i zastosowań lotniczych i kosmicznych. Innym punktem sprzedaży jest to, że urządzenia GaAs są znacznie bardziej odporne na ciepło i dają mniej EMI.

GaAs posiada bezpośrednią przerwę pasmową, w przeciwieństwie do pośredniej przerwy pasmowej krzemu. Z tego powodu GaAs może emitować światło znacznie bardziej efektywnie niż te wykonane z krzemu. Daje to diodom LED z GaAs wyraźną przewagę nad tymi zbudowanymi z krzemu.

Poważną zaletą krzemu jest to, że w rzeczywistym świecie masowej produkcji, krzem jest o wiele łatwiejszy w obróbce. Krzem posiada „natywny tlenek”, dwutlenek krzemu (SiO2). Ten gotowy izolator jest nieocenionym atutem w produkcji urządzeń krzemowych. GaAs nie ma analogu.

W chwili obecnej opracowywane są procesy krzemowe do poziomu siedmiu nanometrów. 500 nanometrów to mniej więcej tyle, ile GaAs może osiągnąć w tym czasie. I choć GaAs jest szybki, wymaga mocy. Tak więc, dla zwykłych układów logicznych o średniej i małej szybkości, krzem może nadal być właściwym rozwiązaniem

Nitek galu i węglik krzemu

Jak wyszczególniono poniżej, węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) charakteryzują się przerwami w paśmie, które znacznie przewyższają przerwy w paśmie krzemu lub GaAs.

Porównanie przerw pasmowych

Materiał	Przerwy pasmowe
Krzem (Si)	1.1 elektronowoltów (eV)
Arsenek galu (GaAs)	1.4 elektronowolty (eV)
Węglik krzemu (SiC)	3.0 elektronowolty (eV)
Nitek galu (GaN)	3.4 elektronowolty (eV)

Węglik krzemu może być wykorzystywany do budowy tranzystorów MOSFET mocy do zastosowań wysokonapięciowych, dużej mocy, pracujących z wysoką częstotliwością. Mogą one tolerować wysokie temperatury i charakteryzują się wartościami RDS (on), które są stabilne w zależności od temperatury. RDS to rezystancja od drenu do źródła, niezwykle krytyczny parametr w każdej aplikacji zasilania.

Rysunek 2. Węglik krzemu. Obraz (zmodyfikowany) dzięki uprzejmości Uniwersytetu w Munster.

Zazotek galu ma jeszcze wyższą szerokość pasma niż węglik krzemu i wyższą ruchliwość elektronów. Z natury niższe pojemności wyjściowe i bramkowe tej technologii dodatkowo umożliwiają pracę z dużymi prędkościami. Urządzenia GaN brak diody ciała, które jest nieodłącznym elementem w urządzeniach opartych na krzemie. Służy to do wyeliminowania strat odzyskiwania, zwiększenia wydajności operacyjnej i zmniejszenia EMI.

Rysunek 3. Azotek galu. Image courtesy of the University of Bristol.

Węglik krzemu może być zatrudniony do budowy MOSFET-ów mocy do zastosowań wysokonapięciowych, wysokiej mocy, pracujących przy wysokich częstotliwościach. Mogą one tolerować wysokie temperatury i charakteryzują się wartościami RDS (on), które są stabilne w zależności od temperatury. RDS to rezystancja od drenu do źródła, niezwykle krytyczny parametr w każdej aplikacji zasilania.

Zazotek galu ma jeszcze wyższą przerwę pasmową niż węglik krzemu i wyższą ruchliwość elektronów. Technologia ta ma z natury niższe pojemności wyjściowe i bramkowe, co dodatkowo umożliwia pracę z dużymi prędkościami. Urządzenia GaN pozbawione są diody ciała, która jest nieodłącznym elementem urządzeń opartych na krzemie. Służy to wyeliminowaniu strat odzyskiwania, zwiększeniu wydajności operacyjnej i zmniejszeniu EMI.

Urządzenie LMG3410R050 GaN firmy Texas Instruments

Podejście TI polega na włączeniu obwodów sterownika bramki wraz z tranzystorem GaN 600V. Nieodłączne zalety LMG341xR050 (PDF) w porównaniu z MOSFET-ami krzemowymi obejmują ultra-niskie pojemności wejściowe i wyjściowe do pracy z dużymi prędkościami. Kolejną zaletą jest zmniejszenie strat przy przełączaniu dzięki zerowej rewersji.

Rysunek 4. LMG3410R050. Zdjęcie dzięki uprzejmości Texas Instruments.

Urządzenia GaN, takie jak LMG3410R050, nie mają strat związanych z odzyskiem wstecznym, ponieważ, w przeciwieństwie do MOSFET-ów krzemowych, nie ma złącza PN między źródłem a drenem.

Zintegrowany sterownik bramki jest specjalnie dostrojony do urządzenia GaN w celu szybkiego wysterowania bez dzwonienia na bramce. Oszczędza czas, miejsce i koszty BOM dla producentów OEM oraz chroni przed błędami, zapewniając zabezpieczenie nadprądowe i nadtemperaturowe.

Billion Dollar Commitment to SiC MOSFETS

W świecie półprzewodników o wysokiej przerwie pasmowej, SiC jest kolejnym silnym konkurentem, o czym świadczy zaangażowanie firmy Cree w tę technologię.

Cree oferuje wiele MOSFET-ów SiC, w tym model C2M0045170D. Urządzenie to charakteryzuje się napięciem znamionowym 1700V i natężeniem 72A. Maksymalna temperatura złącza wynosi 150°C. Co ważne, jego współczynnik RDS (on) wynosi tylko 45 miliomów.

Firma CAB450M12XM3 (PDF) to półmostek z węglika krzemu o napięciu 1200V i prądzie 450A.

Rysunek 5. CAB450M12XM3. Obraz dzięki uprzejmości firmy Cree-Wolfspeed (PDF).

Możliwość pracy ciągłej w temperaturze 175°C. To urządzenie o dużej mocy jest przeznaczone do:

• Silników i trakcji
• Szybkich ładowarek samochodowych
• Zasilaczy bezprzerwowych

Diod LED z arsenku galu

Urządzenia te są częściej oferowane w postaci wafli, ale firma Vishay oferuje TSUS4300 (PDF), dyskretną diodę LED z GaAs promieniującą na 950 nanometrów. Jedną z ich specyfikacji jest to, że oferują „dobre dopasowanie spektralne z fotodetektorami Si”, uprzedzając centralny punkt naszej następnej sekcji poniżej.

Czy arsenek galu jest lepszym wyborem niż krzem?

Przedyskutowaliśmy pewne ogólniki i ogólne cechy, ale projektanci muszą dokładnie przeanalizować konkretne potrzeby konkretnych projektów i nie dokonywać wyboru materiału w oparciu o z góry przyjęte wyobrażenia. Czasami odpowiedź nie będzie taka, jakiej się początkowo spodziewano.

W artykule Theresy Corrigan z firmy Analog Device, N-kanałowe tranzystory CMOS MOSFET są porównywane z urządzeniami GaAs, gdy służą jako szerokopasmowe (900 MHz i więcej) przełączniki elektroniczne.

Zalety GaAs

• Niska rezystancja włączona
• Niska pojemność wyłączona
• Wysoka liniowość przy wysokich częstotliwościach

.