గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) అప్లికేషన్స్ యొక్క ప్రయోజనాలు మరియు అప్రయోజనాలు

ప్రపంచం సెమీకండక్టర్లలో కొత్త అవకాశాల కోసం చూస్తున్నప్పుడు,గాలియం నైట్రైడ్భవిష్యత్తులో పవర్ మరియు RF అప్లికేషన్‌ల కోసం సంభావ్య అభ్యర్థిగా నిలుస్తూనే ఉంది. అయినప్పటికీ, ఇది అందించే అన్ని ప్రయోజనాల కోసం, ఇది ఇప్పటికీ పెద్ద సవాలును ఎదుర్కొంటుంది; P-రకం (P-రకం) ఉత్పత్తులు లేవు. GaN తదుపరి ప్రధాన సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌గా ఎందుకు ప్రచారం చేయబడింది, P-రకం GaN పరికరాల కొరత ఎందుకు ప్రధాన లోపంగా ఉంది మరియు భవిష్యత్ డిజైన్‌లకు దీని అర్థం ఏమిటి?

ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో, మొదటి ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మార్కెట్‌లోకి వచ్చినప్పటి నుండి నాలుగు వాస్తవాలు కొనసాగాయి: అవి వీలైనంత చిన్నవిగా, వీలైనంత చౌకగా ఉండాలి, వీలైనంత ఎక్కువ శక్తిని అందించాలి మరియు వీలైనంత తక్కువ శక్తిని వినియోగించుకోవాలి. ఈ అవసరాలు తరచుగా ఒకదానికొకటి విరుద్ధంగా ఉన్నాయని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, ఈ నాలుగు అవసరాలను తీర్చగల ఖచ్చితమైన ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాన్ని రూపొందించడానికి ప్రయత్నించడం అనేది ఒక పెద్ద కల, కానీ ఇంజనీర్‌లు దానిని సాధించడానికి వారు చేయగలిగినదంతా చేయకుండా ఆపలేదు.

ఈ నాలుగు మార్గదర్శక సూత్రాలను ఉపయోగించి, ఇంజనీర్లు అనేక రకాల అసాధ్యమైన పనులను సాధించడంలో విజయం సాధించారు, కంప్యూటర్లు గది-పరిమాణ పరికరాల నుండి బియ్యం గింజ కంటే చిన్న చిప్‌ల వరకు, వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ మరియు ఇంటర్నెట్‌కు ప్రాప్యతను అనుమతించే స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు మరియు వర్చువల్ రియాలిటీ సిస్టమ్‌లతో. అది ఇప్పుడు హోస్ట్ కంప్యూటర్ నుండి స్వతంత్రంగా ధరించవచ్చు మరియు ఉపయోగించవచ్చు. అయినప్పటికీ, ఇంజనీర్లు సాధారణంగా ఉపయోగించే సిలికాన్ వంటి పదార్థాల భౌతిక పరిమితులను చేరుకోవడంతో, పరికరాలను చిన్నదిగా చేయడం మరియు తక్కువ శక్తిని ఉపయోగించడం ఇప్పుడు అసాధ్యంగా మారుతోంది.

ఫలితంగా, పరిశోధకులు అటువంటి సాధారణ పదార్థాలను భర్తీ చేయగల కొత్త పదార్థాల కోసం నిరంతరం శోధిస్తున్నారు మరియు మరింత సమర్థవంతంగా పనిచేసే చిన్న పరికరాలను అందించడం కొనసాగించవచ్చు. గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) అనేది స్పష్టమైన కారణాల వల్ల, సిలికాన్‌తో పోలిస్తే చాలా దృష్టిని ఆకర్షించిన పదార్థం.

GaNయొక్క ఉన్నతమైన సామర్థ్యం

మొదట, GaN సిలికాన్ కంటే 1,000 రెట్లు ఎక్కువ సమర్థవంతంగా విద్యుత్తును నిర్వహిస్తుంది, ఇది అధిక ప్రవాహాల వద్ద పనిచేయడానికి అనుమతిస్తుంది. దీనర్థం GaN పరికరాలు ఎక్కువ వేడిని ఉత్పత్తి చేయకుండానే అధిక శక్తితో పని చేయగలవు మరియు అదే శక్తికి చిన్నవిగా చేయవచ్చు.

GaN యొక్క ఉష్ణ వాహకత సిలికాన్ కంటే కొంచెం తక్కువగా ఉన్నప్పటికీ, దాని ఉష్ణ నిర్వహణ ప్రయోజనాలు అధిక-శక్తి ఎలక్ట్రానిక్స్ కోసం కొత్త మార్గాలను తెరుస్తాయి. స్పేస్ ప్రీమియమ్‌లో ఉన్న అప్లికేషన్‌లకు ఇది చాలా ముఖ్యం మరియు ఏరోస్పేస్ మరియు ఆటోమోటివ్ ఎలక్ట్రానిక్స్ వంటి శీతలీకరణ పరిష్కారాలను తగ్గించాల్సిన అవసరం ఉంది మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పనితీరును నిర్వహించగల GaN పరికరాల సామర్థ్యం కఠినమైన పర్యావరణ అనువర్తనాలకు వాటి సామర్థ్యాన్ని మరింత హైలైట్ చేస్తుంది.

రెండవది, GaN (3.4eV vs. 1.1eV) యొక్క పెద్ద బ్యాండ్‌గ్యాప్ విద్యుద్వాహక విచ్ఛిన్నానికి ముందు అధిక వోల్టేజీల వద్ద ఉపయోగించడానికి అనుమతిస్తుంది. ఫలితంగా, GaN మరింత శక్తిని అందించగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉండటమే కాకుండా, అధిక సామర్థ్యాన్ని కొనసాగిస్తూ అధిక వోల్టేజీల వద్ద కూడా చేయగలదు.

అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ కూడా GaN ను అధిక పౌనఃపున్యాల వద్ద ఉపయోగించడానికి అనుమతిస్తుంది. ఈ కారకం GHz పరిధి కంటే బాగా పనిచేసే RF పవర్ అప్లికేషన్‌లకు GaNని కీలకం చేస్తుంది (సిలికాన్‌తో పోరాడుతున్నది).

అయినప్పటికీ, థర్మల్ కండక్టివిటీ పరంగా సిలికాన్ GaN కంటే కొంచెం మెరుగ్గా ఉంటుంది, అంటే సిలికాన్ పరికరాల కంటే GaN పరికరాలకు ఎక్కువ ఉష్ణ అవసరాలు ఉంటాయి. ఫలితంగా, ఉష్ణ వాహకత లేకపోవడం అధిక శక్తితో పనిచేసేటప్పుడు GaN పరికరాలను కుదించే సామర్థ్యాన్ని పరిమితం చేస్తుంది (ఎందుకంటే వేడిని వెదజల్లడానికి పెద్ద మొత్తంలో పదార్థాలు అవసరమవుతాయి).

GaNయొక్క అకిలెస్ హీల్ - పి-టైప్ లేదు

అధిక పౌనఃపున్యాల వద్ద అధిక శక్తితో పనిచేయగల సెమీకండక్టర్లను కలిగి ఉండటం చాలా బాగుంది, కానీ GaN అందించే అన్ని ప్రయోజనాల కోసం, అనేక అనువర్తనాల్లో సిలికాన్‌ను భర్తీ చేసే సామర్థ్యాన్ని తీవ్రంగా దెబ్బతీసే ఒక ప్రధాన లోపం ఉంది: P-రకాలు లేకపోవడం.

నిస్సందేహంగా, ఈ కొత్తగా కనుగొనబడిన పదార్థాల యొక్క ప్రధాన లక్ష్యాలలో ఒకటి నాటకీయంగా సామర్థ్యాన్ని పెంచడం మరియు అధిక శక్తి మరియు వోల్టేజ్‌కు మద్దతు ఇవ్వడం మరియు ప్రస్తుత GaN ట్రాన్సిస్టర్‌లు దీనిని సాధించగలవని ఎటువంటి సందేహం లేదు. అయితే, వ్యక్తిగత GaN ట్రాన్సిస్టర్‌లు కొన్ని ఆకట్టుకునే లక్షణాలను అందిస్తున్నప్పటికీ, ప్రస్తుత వాణిజ్య GaN పరికరాలన్నీ N-రకం అనే వాస్తవం చాలా సమర్థవంతంగా పనిచేసే సామర్థ్యాన్ని రాజీ చేస్తుంది.

ఇది ఎందుకు జరిగిందో అర్థం చేసుకోవడానికి, మనం NMOS మరియు CMOS లాజిక్ ఎలా పనిచేస్తాయో చూడాలి. NMOS లాజిక్ 1970లు మరియు 1980లలో దాని సాధారణ తయారీ ప్రక్రియ మరియు రూపకల్పన కారణంగా చాలా ప్రజాదరణ పొందిన సాంకేతికత. N-రకం MOS ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క విద్యుత్ సరఫరా మరియు డ్రెయిన్ మధ్య అనుసంధానించబడిన ఒకే రెసిస్టర్‌ని ఉపయోగించడం ద్వారా, ఆ ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క గేట్ MOS ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క కాలువ వద్ద వోల్టేజ్‌ను నియంత్రించగలదు, నాన్-గేట్‌ను సమర్థవంతంగా అమలు చేస్తుంది. ఇతర NMOS ట్రాన్సిస్టర్‌లతో కలిపినప్పుడు, AND, OR, XOR మరియు లాచెస్‌తో సహా అన్ని లాజిక్ భాగాలను సృష్టించడం సాధ్యమవుతుంది.

అయినప్పటికీ, ఈ సాంకేతికత చాలా సులభం అయినప్పటికీ, ఇది శక్తిని అందించడానికి రెసిస్టర్‌లను ఉపయోగిస్తుంది, అంటే NMOS ట్రాన్సిస్టర్‌లు ఆన్‌లో ఉన్నప్పుడు రెసిస్టర్‌లపై చాలా శక్తి వృధా అవుతుంది. ఒక గేట్ కోసం, ఈ శక్తి నష్టం తక్కువగా ఉంటుంది, కానీ చిన్న 8-బిట్ CPUలకు స్కేలింగ్ చేసినప్పుడు పెరుగుతుంది, ఇది పరికరాన్ని వేడి చేస్తుంది మరియు ఒకే చిప్‌లో క్రియాశీల పరికరాల సంఖ్యను పరిమితం చేస్తుంది.