Acest articol analizează arsenura de galiu și explorează modul în care aceasta se compară cu alte materiale semiconductoare populare și explorează diferitele componente care utilizează fiecare material.

Siliciul și-a păstrat mult timp locul de material cheie în semiconductori. Cu toate acestea, arsenura de galiu, împreună cu alți compuși precum nitrura de galiu și carbura de siliciu, împart acum scena. Așadar, ce este arsenura de galiu și cum diferă de alți compuși? Să explorăm acest compus și să aruncăm o privire asupra modului în care este utilizat ca material semiconductor.

Ce este arsenura de galiu?

Arseniura de galiu (GaAs) este un compus construit din elementele galiu și arsenic. Este adesea denumit compus III-V deoarece galiul și arsenicul fac parte din grupa III și, respectiv, din grupa V a tabelului periodic.

Figura 1. Compusul de arsenură de galiu. Maro reprezintă galiu și violet reprezintă arsenicul. Pentru imagine, mulțumim Shandirai Malven Tunhuma – Universitatea din Pretoria.

Utilizarea arsenurii de galiu nu este o tehnologie nouă. De fapt, DARPA finanțează cercetarea acestei tehnologii încă din anii 1970. În timp ce tehnologia bazată pe siliciu a fost „substanța de bază a revoluției microelectronice, circuitele GaAs funcționează la frecvențe mai mari și puteri de amplificare a semnalelor care au făcut practică o lume conectată prin telefoane mobile de mărimea palmei”.

Arseniura de galiu a dus la miniaturizarea receptoarelor GPS în anii 1980. Acest lucru a făcut posibile munițiile de precizie, ghidate cu laser, care au intrat în arsenalele americane în acea perioadă.

Bandgaps în diferite materiale semiconductoare

Fără a intra în fizica teoretică profundă, bandgaps-ul unui material este spațiul dintre straturile de înveliș atomic ale unui material. Un spațiu mai mare înseamnă că este nevoie de mai multă energie pentru ca electronii semiconductorului să „sară” la următorul înveliș și pentru ca semiconductorul să treacă în starea de conductivitate. După cum vom vedea, acest lucru are o serie de ramificații importante.

Compararea benzilor interzise GaAs, Si, SiC și GaN

Cu o mobilitate ridicată a electronilor, dispozitivele semiconductoare construite din GaAs pot funcționa la frecvențe de sute de GHz.

Chiar dacă nu este considerat cu adevărat un material cu „bandă interzisă largă”, GaAs are o bandă interzisă considerabil mai mare decât cea a siliciului. În mod critic, acest lucru face ca GaAs să fie foarte rezistent la radiații și, prin urmare, o alegere excelentă pentru aplicațiile din domeniul apărării și aerospațial. Un alt argument de vânzare este faptul că dispozitivele GaAs sunt mult mai rezistente la căldură și emit mai puține perturbații electromagnetice.

GaAs dispune de o bandă interzisă directă, spre deosebire de banda interzisă indirectă a siliciului. Din acest motiv, GaAs poate emite lumină mult mai eficient decât cele realizate din siliciu. Acest lucru conferă LED-urilor din GaAs un avantaj clar față de cele construite din siliciu.

Un avantaj major al siliciului este că, în lumea reală a producției în masă, siliciul este mult mai ușor de prelucrat. Siliciul are un „oxid nativ”, dioxidul de siliciu (SiO2). Acest izolator gata preparat este un atu neprețuit în fabricarea dispozitivelor din siliciu. GaAs nu are un analog.

În momentul scrierii acestui articol, sunt în curs de dezvoltare procese de siliciu până la nivelul de șapte nanometri. 500 nanometri este cam cât de jos poate ajunge GaAs în acest moment. Și, deși GaAs este rapid, are nevoie de energie. Așadar, pentru logica obișnuită de viteză medie și mică, siliciul ar putea fi în continuare calea de urmat

Nitrură de galiu și carbură de siliciu

După cum se detaliază mai jos, carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) au benzi interzise care depășesc considerabil pe cele ale siliciului sau GaAs.

Compararea benzilor interzise

Material	Bandgap
Siliciu (Si)	1.1 electronvolți (eV)
Arseniură de galiu (GaAs)	1.4 electronvolți (eV)
Cărbură de siliciu (SiC)	3,0 electronvolți (eV)
Nitrură de galiu (GaN)	3.4 electronvolți (eV)

Carbura de siliciu poate fi utilizată pentru a construi MOSFET-uri de putere pentru aplicații de înaltă tensiune și de mare putere care funcționează la frecvențe ridicate. Acestea pot tolera temperaturi ridicate și prezintă valori RDS (on) stabile în funcție de temperatură. RDS este rezistența de la drenă la sursă, un parametru extrem de critic în orice aplicație de putere.

Figura 2. Carbură de siliciu. Imagine (modificată) prin amabilitatea Universității din Munster.

Nitrura de galiu are o bandă interzisă chiar mai mare decât carbura de siliciu și o mobilitate electronică mai mare, de asemenea. Capacitățile de ieșire și de poartă inerent mai mici ale tehnologiei permit și mai mult funcționarea de mare viteză. Dispozitivelor GaN le lipsește dioda de corp care este inerentă dispozitivelor pe bază de siliciu. Acest lucru servește la eliminarea pierderilor de recuperare, la creșterea eficienței operaționale și la reducerea EMI.

Figura 3. Nitrură de galiu. Pentru imagine, mulțumim Universității din Bristol.

Carbura de siliciu poate fi utilizată pentru a construi MOSFET-uri de putere pentru aplicații de înaltă tensiune și de mare putere care funcționează la frecvențe ridicate. Acestea pot tolera temperaturi ridicate și prezintă valori RDS (on) stabile în funcție de temperatură. RDS este rezistența de la drenă la sursă, un parametru extrem de critic în orice aplicație de putere.

Nitrura de galiu are o bandă interzisă chiar mai mare decât carbura de siliciu și o mobilitate electronică mai mare, de asemenea. Capacitățile de ieșire și de poartă inerent mai mici ale tehnologiei permit și mai mult funcționarea de mare viteză. Dispozitivelor GaN le lipsește dioda de corp care este inerentă dispozitivelor pe bază de siliciu. Acest lucru are rolul de a elimina pierderile de recuperare, de a crește eficiența operațională și de a reduce EMI.

Dispozitivul LMG3410R050 GaN de la Texas Instruments

Abordarea TI este de a include circuite de comandă a porții împreună cu un tranzistor GaN de 600 V. Avantajele inerente ale LMG341xR050 (PDF) față de MOSFET-urile de siliciu includ capacități de intrare și de ieșire foarte scăzute pentru o funcționare de mare viteză. Reducerea pierderilor de comutație prin recuperarea inversă zero este un alt beneficiu.

Figura 4. LMG3410R050. Pentru imagine, mulțumim Texas Instruments.

Dispozitivele GaN precum LMG3410R050 nu au pierderi de recuperare inversă deoarece, spre deosebire de MOSFETS din siliciu, nu există o joncțiune PN între sursă și drenă.

Driverul de poartă integrat este reglat special pentru dispozitivul GaN pentru o conducere rapidă fără inelare pe poartă. Acesta economisește timp, spațiu și costuri BOM pentru OEM și protejează împotriva defecțiunilor prin asigurarea protecției la supracurent și supratemperatură.

Angajamentul de un miliard de dolari al Cree față de MOSFETS SiC

În lumea semiconductorilor cu bandă interzisă mare, SiC este un alt concurent puternic, după cum reiese din angajamentul Cree față de această tehnologie.

Cree oferă multe MOSFET-uri SiC, inclusiv C2M0045170D. Acest dispozitiv este evaluat la 1700V și 72A. Temperatura maximă de joncțiune este de 150°C. Este important de menționat că are un RDS (on) de numai 45 miliohms.

Modul CAB450M12XM3 (PDF) al companiei este un modul cu jumătate de punte din carbură de siliciu de 1200V, 450A.

Figura 5. Modelul CAB450M12XM3. Pentru imagine, mulțumim Cree-Wolfspeed (PDF).

Este posibilă funcționarea continuă a joncțiunii la 175°C. Acest dispozitiv de mare putere este proiectat pentru:

• Motor și rivere de tracțiune
• Încărcătoare rapide pentru vehicule
• Surse de alimentare neîntreruptibile

LED-uri de arsenură de galiu

Aceste dispozitive sunt oferite mai frecvent în plachete, dar Vishay oferă TSUS4300 (PDF), un LED GaAs discret care radiază la 950 nanometri. Una dintre specificațiile lor este că oferă „o bună potrivire spectrală cu fotodetectoarele Si”, ceea ce prevestește punctul central al următoarei noastre secțiuni de mai jos.

Arseniura de galiu este o alegere mai bună decât siliciul?

Am discutat unele generalități și caracteristici generale, dar proiectanții trebuie să analizeze cu atenție nevoile particulare ale unor proiecte specifice și să nu își facă alegerea materialului pe baza unor noțiuni preconcepute. Uneori, răspunsul nu va fi cel așteptat inițial.

Într-un articol scris de Theresa Corrigan de la Analog Device, MOSFET-urile CMOS cu canal N sunt puse în contrast cu dispozitivele GaAs atunci când servesc ca întrerupătoare electronice de bandă largă (900 MHz și mai mult).

Avantajele GaAs

• Rezistență de pornire redusă
• Capacitate de oprire redusă
• Liniaritate ridicată la frecvențe înalte

.