Jag har använt GaN i stor utsträckning sedan 2013 eller så, främst för en nischapplikation som lätt kan dra nytta av en enorm fördel som GaN har över Si - strålningstolerans. Det finns ingen grindoxid att punktera och drabbas av SEGR, och offentlig forskning har visat att de delar som lever efter 1MRad med minimal nedbrytning. Den lilla storleken är också fantastisk - i storlek på kanske en fjärdedel eller två (myntet) kan du enkelt implementera en 10A + DC / DC-omvandlare. Tillsammans med möjligheten att köpa dem med blylödstänger och vissa tredje parter som förpackar dem i hermetiskt tillslutna förpackningar är de framtiden.

Det är dyrare och "knepigare" att arbeta med. Det finns ingen grindoxid, bara en metall-halvledarkorsning, så grinddrivspänningen är mycket begränsande (för förstärkningsläge som byggt av EPC) - eventuell överspänning kommer att förstöra delen. Det finns bara en handfull offentligt tillgängliga portförare just nu - folk börjar just nu bygga fler förare och ge oss fler alternativ än National LM5113. Den 'kanoniska' implementeringen du ser runt är BGA LM5113 + LGA GaN FET, för även bindningstrådarna i andra paket ger för mycket induktans. Som en påminnelse här kommer den här ringen:

EPC: s eGaN-enheter använder en 2DEG och kan klassas som en HEMT i vår applikationer. Det är här mycket av deras dumt låga RDS (på) kommer ifrån - det är vanligtvis i ensiffriga milliohms. De har otroligt snabba hastigheter, vilket innebär att du måste vara mycket medveten om Miller-effekt-inducerad påslagning. Dessutom, som nämnts ovan, blir parasitiska induktanser i kopplingsslingan mycket mer kritiska vid dessa hastigheter - du måste faktiskt tänka på dina dielektriska tjocklekar och komponentplacering för att hålla slinginduktansen låg (<3nH gör det bra, IIRC, men som diskuterat nedan, kan / bör det vara mycket lägre), som också ses nedan:

För EPC byggs de också på ett konventionellt gjuteri, vilket sänker kostnaderna. Andra människor inkluderar GaN-system, Triquint, Cree, etc - några av dessa är specifikt för RF-ändamål, medan EPC främst riktar sig till kraftomvandling / relaterade applikationer (LIDAR, etc.). GaN är också inbyggt utarmningsläge, så folk har olika lösningar för att förbättra dem, inklusive att helt enkelt stapla en liten P-kanal MOSFET på grinden för att invertera sitt beteende.

Ett annat intressant beteende är "bristen" på omvänd återvinningsladdning, på bekostnad av en högre än kiseldiodfall i det tillståndet. Det är en slags marknadsföringssak - de säger till dig att "eftersom det inte finns några minoritetsbärare involverade i ledning i ett förbättringsläge GaN HEMT, finns det inga omvända återvinningsförluster". Vad de typ av glans över är att V_ {SD} är i allmänhet uppe i 2-3V + -området jämfört med 0,8V i en Si FET - bara något att vara medveten om som systemdesigner.

Jag kommer också att röra vid grinden igen - dina förare måste i princip hålla en ~ 5.2V bootstrap-diod internt för att förhindra att sprickorna på delarna spricker. Varje överdriven induktans på grindspåret kan leda till ringning som förstör delen, medan din genomsnittliga Si MOSFET vanligtvis har en Vgs runt +/- 20V eller så. Jag har fått spendera många timmar med en varmluftspistol som ersätter en LGA-del eftersom jag förstörde den här.

Sammantaget är jag ett fan av delarna för min applikation. Jag tror inte att kostnaden är nere med Si än, men om du gör nischarbete eller vill ha högsta möjliga prestanda är GaN vägen att gå - vinnarna av Google Little Box Challenge använde en GaN-baserad kraftsteg i deras omvandlare. Kisel är fortfarande billigt, lätt att använda och folk förstår det, särskilt från en pålitlig POV. GaN-leverantörer sträcker sig mycket för att bevisa sina enhetssäkerhetssiffror, men MOSFETs har många decennier av lärdomar och tillförlitlighetstekniska data på enhetsfysiknivå för att övertyga folk att delen inte kommer att brinna ut över tiden. p>

det måste säkert kompensera om det används i IC

Tja nej, det gör det inte av flera anledningar:

• GaN-transistorer kan inte lätt göras i dagens IC-tillverkningsprocesser
• Inte alla applikationer behöver den snabbaste transistorn
• Inte alla applikationer behöver lägst motstånd
• Inte alla applikationer behöver hög temperatur beteende
• GaN-transistorer kan inte göras så små som den minsta MOS-transistorn

Jämför den med SiGe (Silicon Germanium) som har funnits under många år. Den har snabbare (bipolära) transistorer. Används den överallt? Nej, för få IC-apparater använder bipolära transistorer. 99% av dagens IC: er använder CMOS-transistorer som bara gör SiGe-tillverkningsprocesser till en nischapplikation.

Detsamma gäller för GaN, det är bara användbart för Effekttransistorer . IC har i allmänhet inget behov av denna typ av krafttransistorer.

GaN-integrerade kretsar

För närvarande är GaN inte i stånd att passera kisel i typiska IC-applikationer eftersom litografi och bearbetning inte är lika moget som kisel, och CMOS GaN fortfarande är i tidig forskning. Multipel transistorintegration är redan möjlig med GaN, men den primära applikationen är strömbrytning eftersom det är där de flesta fördelarna kan realiseras. För ett stort antal kretsar är en framgångsrik GaN-implementering inte möjlig eller har endast nischanvändning. En GaN-mikrokontroller är till exempel inte något som kan uppnås med aktuell teknik.

I strömkretsar finns det dock många fördelar som du kan förverkliga med nuvarande GaN-enheter:

Snabbare växling (lägre R _{DS (på)} för ett givet matrisområde)

Med stor effektomkopplingshastighet kommer det stora ansvaret att hantera parasitisk induktans. Du ser negativt kretsbeteende med slinginduktanser över 1 nH, och det är väldigt svårt att undvika så mycket induktans i din layout. För många kiselkretsar kan du komma undan med relativt mord. För att få ut mesta möjliga av dessa transistorer måste du vara uppmärksam på alla aspekter av din effektomvandlarlayout långt bortom den detaljnivå som vanligtvis krävs av kiseldesigner.

Mindre paket

Förpackningen är också mindre, med EPC som säljer det som i huvudsak är lödstoppat munstycke som du direkt återflödar på ett kretskort. Till exempel är denna 40V, 16mΩ, 10A-enhet 1,7 mm x 1,1 mm eller lite större än storleken på ett 0603-motstånd. Hantering och bearbetning måste förberedas för BGA-teknik i stället för större SMT-delar eller genomgående hål.

Bra temperaturbeteende

Och bra temperaturdrift är värdelös om du behöver ha en standard kiseldel bredvid den för att styra den.

Låg grindspänning

Spänningsenheten för låg grind (vanligtvis 5V för EPC-delar) matchas också med en låg maximal grindspänning (-4V till + 6V Vgs för den del som är länkad ovan). Detta innebär att din portförare måste vara stabil för att förhindra att enheten skadar sig själv, och (igen) din layout måste vara bra. Detta har blivit bättre, men är fortfarande ett bekymmer.

Det finns en stor önskan att se fördelarna med GaN som en drop-in ersättning för en kiseldel. I denna takt innebär det extra arbete som behövs för att säkerställa stabil och säker drift och arbetet som behövs för att dra nytta av den snabbare omkopplingshastigheten att det inte bara kommer att ersätta kiselfetrar i gamla konstruktioner. Som FakeMoustache nämner behöver du inte alltid topprestanda (och ibland är inte transistorn ens den svaga punkten).

GaN blir användbart i RF-förstärkning och effektomvandling (växling av strömförsörjning). I det senare fallet behöver det mycket mindre kylning än Si, i det tidigare kan det gå snabbare.

Men för RF-förstärkning använder det inte bara att konkurrera med Si, det konkurrerar med GaAs (t.ex. MMIC) och SiGe. För kraftomvandling blir SiC också intressant.

Men det handlar inte bara om kostnad och konkurrerande teknik. De bästa GaN-enheterna för både motstånd och växlingshastighet är HEMT. GaN HEMT är normalt aktiverade enheter¹ som kräver en negativ grindförspänning för att stänga av dem. Detta lägger till kostnader och komplexitet i systemet, och betyder också att ett fel i styrkretsen kan leda till att transistorn inte fungerar, vilket är "intressant" om du har att göra med saker som HVDC.

GaN måste odlas på hetero-substrat, vilket gör tillväxten svårare (ytterligare ökar kostnaden). Trots år av forskning påverkar detta fortfarande epilayers materialkvalitet, med konsekvenser för prestandan / livstidsavvägningen.

Så GaN är sannolikt en mycket användbar teknik för vissa nischapplikationer och blir mer mainstream om det utvecklas snabbare än några av de konkurrerande teknikerna.

¹Jag har arbetat med några GaN HEMTs på Si-substrat som har en positiv tröskelspänning, men jag tror inte att någon ännu har kommit till marknaden .

Så varför producerar vi fortfarande mest Si-transistorer? Även om GaN-transistorn är dyrare i produktion, måste den säkert kompensera om den används i IC: er?

Vad får dig att tro att "det måste säkert kompensera"? Det är definitivt inte fallet .

Den (tyska) Wikipedia-artikeln från GaN säger att huvudproblemet med att producera GaN-baserade enheter var och fortfarande är svårigheten att producera stora enskilda kristaller. Artikeln visar också till exempel en enda kristall vars längd är bara 3 mm (även om det kan vara möjligt att producera större kommer det inte att vara mycket större).

I motsats till det är det möjligt att producera Si-enkristaller vars diameter är nästan en halv meter (ca. 500 mm) och vars längd är en multipel av det.

Bara denna stora skillnad i erhållbar enkel kristallstorlek gör det klart att behärska Si-tekniken är mycket mer avancerad än GaN Technology.

Och det finns fler aspekter än enkel kristallstorlek.

Layoutproblemen som nämnts i tidigare svar blir mindre relevanta hos tillverkare som integrerar drivrutinen och transistorn i ett enda paket, vilket kringgår problemet med grindslinga och gemensam källinduktans.Så till stor del bör frågan vara: "När använder vi GaN överallt?"