¿Por qué no usamos transistores GaN en todas partes?

He estado usando GaN extensivamente desde 2013 más o menos, principalmente para una aplicación de nicho que puede beneficiarse fácilmente de una gran ventaja que GaN tiene sobre Si: la tolerancia a la radiación. No hay óxido de puerta para perforar y sufrir SEGR, y la investigación pública ha demostrado que las piezas superan 1MRad con una degradación mínima. El tamaño pequeño también es sorprendente: en el tamaño de quizás una moneda de veinticinco centavos o dos, puede implementar un convertidor CC/CC de 10A+ con facilidad. Junto con la capacidad de comprarlos con barras de soldadura de plomo y algunos terceros que los empaquetan en paquetes sellados herméticamente, son el futuro.

Es más caro y "más complicado" para trabajar. No hay óxido de compuerta, solo una unión metal-semiconductor, por lo que el voltaje de activación de la compuerta es altamente restrictivo (para el modo de mejora construido por EPC); cualquier exceso de voltaje destruirá la pieza. En este momento, solo hay un puñado de controladores de puerta disponibles públicamente: la gente recién comienza a construir más controladores y nos brinda más opciones que el National LM5113. La implementación 'canónica' que verá es el FET BGA LM5113 + LGA GaN, porque incluso los cables de enlace en otros paquetes agregan demasiada inductancia. Como recordatorio, aquí es de donde proviene ese timbre:

Los dispositivos eGaN de EPC utilizan un 2DEG y se pueden clasificar como HEMT en nuestras aplicaciones. Aquí es de donde proviene gran parte de su estúpidamente bajo RDS (encendido), generalmente en miliohmios de un solo dígito. Tienen velocidades increíblemente rápidas, lo que significa que debe estar muy atento al encendido inducido por el efecto Miller. Además, como se mencionó anteriormente, las inductancias parásitas en el bucle de conmutación se vuelven mucho más críticas a estas velocidades; en realidad, debe pensar en los espesores dieléctricos y la ubicación de los componentes para mantener baja la inductancia del bucle (<3nH está funcionando bien, IIRC, pero como discutido a continuación, puede/debería ser mucho más bajo), como también se ve a continuación:

Para EPC, también se construyen en una fundición convencional, lo que reduce los costos. Otras personas incluyen sistemas GaN, Triquint, Cree, etc., algunos de ellos son específicamente para propósitos de RF, mientras que EPC se enfoca principalmente en aplicaciones relacionadas con la conversión de energía (LIDAR, etc.). GaN también tiene un modo de agotamiento nativo, por lo que la gente tiene diferentes soluciones para mejorarlos, incluido simplemente apilar un pequeño MOSFET de canal P en la puerta para invertir su comportamiento.

Otro comportamiento interesante es la "falta" de carga de recuperación inversa, a expensas de una caída de diodo superior a la de silicio cuando se encuentra en ese estado. Es una especie de cuestión de marketing: te dicen que "debido a que no hay operadores minoritarios involucrados en la conducción en un HEMT de GaN en modo mejorado, no hay pérdidas de recuperación inversa". Lo que pasan por alto es que V_{SD} generalmente está en el rango de 2-3V+ en comparación con 0.8V en un FET de Si, solo algo que debe tener en cuenta como diseñador de sistemas.

También tocaré la puerta nuevamente: sus controladores básicamente tienen que mantener un diodo de arranque de ~ 5.2V internamente para evitar que se rompan las puertas en las partes. Cualquier exceso de inductancia en el seguimiento de la puerta puede provocar un timbre que destruirá la pieza, mientras que su MOSFET de Si promedio generalmente tiene un Vgs alrededor de +/- 20V más o menos. Tuve que pasar muchas horas con una pistola de aire caliente reemplazando una pieza LGA porque lo arruiné.

En general, soy fanático de las piezas para mi aplicación. No creo que el costo haya bajado con Si todavía, pero si está haciendo un trabajo de nicho o quiere el mayor rendimiento posible, GaN es el camino a seguir: los ganadores del Google Little Box Challenge usaron un GaN basado etapa de potencia en su convertidor. El silicio sigue siendo barato, fácil de usar y la gente lo entiende, especialmente desde un punto de vista de confiabilidad. Los proveedores de GaN hacen todo lo posible para demostrar las cifras de confiabilidad de sus dispositivos, pero los MOSFET tienen muchas décadas de lecciones aprendidas y datos de ingeniería de confiabilidad a nivel de física del dispositivo para convencer a la gente de que la pieza no se agotará con el tiempo.

seguramente debe compensar si se usa en circuitos integrados

Pues no, no lo hace por varias razones:

• Los transistores de GaN no se pueden fabricar fácilmente en los procesos de fabricación de circuitos integrados actuales.
• No todas las aplicaciones necesitan el transistor más rápido
• No todas las aplicaciones necesitan la resistencia más baja
• No todas las aplicaciones necesitan el comportamiento a altas temperaturas.
• Los transistores GaN no se pueden hacer tan pequeños como el transistor MOS más pequeño

Compárelo con SiGe (germanio de silicio) que ha estado disponible durante muchos años. Tiene transistores más rápidos (bipolares). ¿Se usa en todas partes? No, porque pocos circuitos integrados utilizan transistores bipolares. El 99 % de los circuitos integrados actuales utilizan transistores CMOS únicamente, lo que hace que los procesos de fabricación de SiGe sean una aplicación de nicho.

Lo mismo es cierto para GaN, solo es útil para transistores de potencia . Los circuitos integrados generalmente no necesitan este tipo de transistores de potencia.

Circuitos integrados de GaN

Actualmente, GaN no está en condiciones de superar al silicio en las aplicaciones típicas de circuitos integrados, ya que la litografía y el procesamiento no son tan maduros como el silicio, y CMOS GaN aún se encuentra en las primeras etapas de investigación. La integración de múltiples transistores ya es posible con GaN, pero la aplicación principal es la conmutación de energía porque ahí es donde se pueden obtener la mayoría de los beneficios. Para una gran cantidad de circuitos, una implementación exitosa de GaN no es posible o solo tiene usos específicos. Un microcontrolador de GaN no es algo que se pueda lograr con la tecnología actual, por ejemplo.

Sin embargo, en los circuitos de potencia, hay muchas ventajas que puede obtener con los dispositivos GaN actuales:

Cambio más rápido (menor R _{DS (encendido)} para un área de troquel dada)

Una gran velocidad de conmutación de potencia conlleva una gran responsabilidad de gestionar la inductancia parásita. Verá un comportamiento de circuito adverso con inductancias de bucle superiores a 1 nH, y es muy difícil evitar tanta inductancia en su diseño. Para muchos circuitos de silicio, puede salirse con la suya con un asesinato relativo. Para aprovechar al máximo estos transistores, debe prestar atención a todos los aspectos del diseño de su convertidor de potencia mucho más allá del nivel de detalle que normalmente requieren los diseños de silicio.

Paquetes más pequeños

El empaque también es más pequeño, con EPC vendiendo lo que son esencialmente troqueles soldados que se refluyen directamente en una PCB. Por ejemplo, este dispositivo de 40 V, 16 mΩ, 10 A tiene un tamaño de 1,7 mm x 1,1 mm, o un poco más grande que el tamaño de una resistencia 0603. La manipulación y el procesamiento deben estar preparados para técnicas de estilo BGA en lugar de piezas SMT más grandes o agujeros pasantes.

Buen comportamiento a la temperatura

Y un buen funcionamiento a temperatura no sirve de nada si necesitas tener una pieza de silicona estándar al lado para controlarlo.

Voltaje de accionamiento de compuerta bajo

El variador de voltaje de compuerta bajo (típicamente 5 V para partes EPC) también se combina con un voltaje de compuerta máximo bajo (-4 V a +6 V Vgs para la parte vinculada anteriormente). Esto significa que su controlador de puerta debe ser estable para evitar que el dispositivo se dañe y (nuevamente) su diseño debe ser bueno. Esto ha mejorado, pero sigue siendo una preocupación.

Existe un gran deseo de ver los beneficios de GaN como reemplazo directo de una pieza de silicio. A este ritmo, el trabajo adicional necesario para garantizar un funcionamiento estable y seguro, y el trabajo necesario para aprovechar la velocidad de conmutación más rápida significa que no reemplazará simplemente a los FET de silicio en diseños antiguos. Como menciona FakeMoustache , no siempre necesita el máximo rendimiento (y, a veces, el transistor ni siquiera es el punto débil).

GaN se está volviendo útil en la amplificación de RF y la conversión de energía (fuentes de alimentación conmutadas). En el último caso, necesita mucho menos enfriamiento que el Si, en el primero puede funcionar más rápido.

Pero para los usos de amplificación de RF, no solo está compitiendo con Si, está compitiendo con GaAs (por ejemplo, MMIC) y SiGe. Para la conversión de energía, el SiC también se está volviendo interesante.

Pero no se trata solo del costo y las tecnologías de la competencia. Los mejores dispositivos de GaN tanto para la resistencia de encendido como para la velocidad de conmutación son los HEMT. Los HEMT de GaN son dispositivos normalmente encendidos¹ que requieren una polarización de puerta negativa para apagarlos. Esto agrega costo y complejidad al sistema, y ​​también significa que una falla en el circuito de control puede hacer que el transistor falle, lo cual es "interesante" si se trata de cosas como HVDC.

GaN debe crecer en un sustrato heterogéneo, lo que dificulta el crecimiento (aumentando aún más el costo). A pesar de años de investigación, esto todavía afecta la calidad del material de las epicapas, con implicaciones para el equilibrio rendimiento/vida útil.

Por lo tanto, es probable que GaN sea una tecnología muy útil para ciertas aplicaciones de nicho, volviéndose más convencional si se desarrolla más rápido que algunas de las tecnologías rivales.

¹He trabajado con algunos HEMT de GaN en sustratos de Si que tienen un voltaje de umbral positivo, pero no creo que ninguno haya llegado al mercado todavía.

Entonces, ¿por qué seguimos produciendo principalmente transistores de Si? Incluso si el transistor GaN es más caro en la producción, seguramente debe compensar si se usa en circuitos integrados.

¿Qué le hace creer que "seguramente debe compensar"? Definitivamente no es el caso.

El artículo de Wikipedia (alemán) de GaN dice que el principal problema en la producción de dispositivos basados ​​en GaN era y sigue siendo la dificultad de producir monocristales grandes. El artículo también muestra, por ejemplo, un solo cristal cuya longitud es de solo 3 mm (incluso si es posible producir cristales más grandes, no serán mucho más grandes).

Por el contrario, es posible producir monocristales de Si cuyo diámetro es de casi medio metro (aprox. 500 mm) y cuya longitud es un múltiplo de eso.

Solo esta enorme diferencia en el tamaño de cristal único obtenible deja en claro que dominar la tecnología Si es mucho más avanzado que la tecnología GaN.

Y hay más aspectos que el tamaño de un solo cristal.

Los problemas de diseño mencionados en respuestas anteriores se están volviendo menos relevantes con los fabricantes que integran el controlador y el transistor en un solo paquete, eludiendo así el problema del bucle de puerta y la inductancia de fuente común. Entonces, en gran medida, la pregunta debería ser: "¿Para cuándo usaremos GaN en todas partes?"