Pourquoi n'utilisons-nous pas des transistors GaN partout?

De nombreuses recherches ont été menées sur les transistors au GaN, prouvant qu'ils ont une résistance à l'état passant très faible, une charge de grille faible et qu'ils sont très efficaces à haute température.

Alors, pourquoi produisons-nous encore principalement des transistors Si? Même si le transistor GaN est plus cher en production, il doit sûrement compenser s'il est utilisé dans les circuits intégrés?

J'utilise abondamment le GaN depuis 2013 environ, principalement pour une application de niche pouvant facilement bénéficier d'un énorme avantage du GaN par rapport à la tolérance au rayonnement Si. Il n'y a pas d'oxyde de grille à percer et à souffrir de SEGR, et des recherches publiques ont montré que les parties vivantes au-delà de 1MRad présentaient une dégradation minimale. La petite taille est également étonnante: dans la taille d’un quart ou deux (la pièce), vous pouvez facilement mettre en œuvre un convertisseur DC / DC de 10 A +. Couplés à la possibilité de les acheter avec des barres de soudure au plomb et à des tierces parties qui les conditionnent dans des emballages hermétiquement fermés, ils sont l'avenir.

C'est plus coûteux et "plus compliqué" de travailler avec. Il n'y a pas de grille-oxyde, juste une jonction métal-semi-conducteur, de sorte que la tension de commande de la grille est très restrictive (pour le mode de renforcement construit par EPC) - toute surtension détruirait la pièce. À l'heure actuelle, il n'y a que très peu de pilotes de portail disponibles au public. Les gens commencent tout juste à construire plus de pilotes et nous donnent plus d'options que le National LM5113. L’implémentation «canonique» que vous allez voir est celle des FET GaN BGA LM5113 + LGA, car même les fils de liaison des autres packages ajoutent trop d’inductance. Pour rappel, voici d'où vient cette sonnerie:

Les appareils eGaN d'EPC utilisent un 2DEG et peuvent être classés comme HEMT dans nos applications. C’est d’où viennent beaucoup de leur RDS (sur) stupidement bas - c’est généralement en milliohms à un chiffre. Ils ont des vitesses incroyablement rapides, ce qui signifie que vous devez être très conscient de l'activation induite par l'effet Miller. De plus, comme mentionné ci-dessus, les inductances parasites dans la boucle de commutation deviennent beaucoup plus critiques à ces vitesses - vous devez en fait penser à vos épaisseurs diélectriques et à l'emplacement de vos composants pour que cette inductance de boucle soit faible discuté ci-dessous, il peut / devrait être beaucoup plus bas), comme on le voit également ci-dessous:

Pour EPC, ils sont également construits dans une fonderie conventionnelle, ce qui réduit les coûts. Parmi les autres personnes, on compte les systèmes GaN, Triquint, Cree, etc. - certaines d’entre elles sont spécifiquement destinées à la radiofréquence, alors que EPC vise principalement les applications de conversion de puissance / liées (LIDAR, etc.). Le GaN étant également en mode d'épuisement natif, les gens ont différentes solutions pour les améliorer, notamment d'empiler simplement un petit MOSFET à canal P sur la porte pour inverser son comportement.

Un autre comportement intéressant est le "manque" de charge de récupération inverse, au détriment d'une chute de diode supérieure à celle du silicium dans cet état. C'est une sorte de marketing - ils vous disent que "parce qu'il n'y a pas de transporteurs minoritaires impliqués dans la conduction dans un HEMT GaN à mode d'amélioration, il n'y a pas de pertes de récupération inverse". Ce qui leur échappe, c'est que V_ {SD} est généralement dans la plage 2-3V + par rapport à 0,8V dans un FET Si - juste quelque chose à prendre en compte en tant que concepteur de système.

Je reviendrai également sur la porte: vos pilotes doivent en principe conserver une diode bootstrap de ~ 5,2 V en interne pour éviter de casser les portes des pièces. Tout excès d’inductance sur le tracé de la porte peut conduire à une sonnerie qui détruira la pièce, alors que votre MOSFET de Si moyen a généralement un Vgs autour de +/- 20V ou plus. J'ai dû passer plusieurs heures avec un pistolet à air chaud à remplacer une pièce LGA parce que je me suis trompé.

Globalement, je suis fan des pièces de mon application. Si je ne pense pas que le coût soit encore bas avec Si, mais si vous faites un travail de niche ou si vous voulez la meilleure performance possible, GaN est la voie à suivre: les gagnants du Google Little Box Challenge ont utilisé une solution basée sur GaN. étage de puissance dans leur convertisseur. Le silicium est toujours bon marché, facile à utiliser, et les gens le comprennent, notamment à partir d'un point de vue de fiabilité. Les fournisseurs de GaN déploient beaucoup d'efforts pour prouver la fiabilité de leurs appareils, mais les MOSFET s'appuient sur plusieurs décennies de données d'ingénierie des leçons tirées et de la fiabilité au niveau de la physique des appareils pour convaincre les utilisateurs que leur composant ne va pas s'épuiser avec le temps.

il doit sûrement compenser s'il est utilisé dans les circuits intégrés

Eh bien non, cela n’est pas pour plusieurs raisons:

• Les transistors GaN ne peuvent pas être facilement fabriqués dans les processus de fabrication de circuits intégrés actuels
• Toutes les applications n'ont pas besoin du transistor le plus rapide
• Toutes les applications n'ont pas besoin de la résistance la plus faible
• Toutes les applications n'ont pas besoin du comportement à haute température
• Les transistors GaN ne peuvent pas être aussi petits que le plus petit transistor MOS

Comparez-le à SiGe (Silicon Germanium), disponible depuis de nombreuses années. Il possède des transistors plus rapides (bipolaires). Est-il utilisé partout? Non, car peu de circuits intégrés utilisent des transistors bipolaires. Aujourd'hui, 99% des circuits intégrés utilisent des transistors CMOS, ce qui fait des procédés de fabrication de SiGe une application de niche.

La même chose est vraie pour le GaN, elle n'est utile que pour les transistors de puissance . Les circuits intégrés n’ont généralement pas besoin de ce type de transistors de puissance.

Circuits intégrés GaN

À l'heure actuelle, le GaN n'est pas en mesure de supplanter le silicium dans les applications de circuits intégrés classiques, car la lithographie et le traitement ne sont pas aussi avancés que le silicium et le CMOS GaN en est encore à ses débuts. L’intégration de plusieurs transistors est déjà possible avec GaN, mais l’application principale est la commutation de puissance car c’est là que la plupart des avantages peuvent être réalisés. Pour un grand nombre de circuits, une mise en œuvre réussie du GaN n’est pas possible ou n’a que des utilisations de niche. Un microcontrôleur GaN n’est pas réalisable avec la technologie actuelle, par exemple.

Cependant, dans les circuits de puissance, les appareils GaN actuels offrent de nombreux avantages:

Commutation plus rapide (RDS inférieur ( _activé) pour une zone de matrice donnée)

Une grande puissance de commutation entraîne une grande responsabilité dans la gestion de l'inductance parasite. Vous constaterez un comportement négatif du circuit avec des inductances de boucle supérieures à 1 nH, et il est très difficile d'éviter une telle inductance dans votre réseau. Pour de nombreux circuits de silicium, vous pouvez vous en tirer avec un meurtre relatif. Pour tirer le meilleur parti de ces transistors, vous devez porter une attention particulière à tous les aspects de la disposition de votre convertisseur de puissance, bien au-delà du niveau de détail généralement requis par les conceptions silicium.

Forfaits plus petits

L'emballage est également plus petit, avec EPC vendant ce qui est essentiellement des puces à soudure soudée que vous refondez directement sur un circuit imprimé. Par exemple, cet appareil 40 V, 16 mΩ, 10 A mesure 1,7 mm x 1,1 mm, ou un peu plus grand que la taille d’une résistance 0603. La manipulation et le traitement doivent être préparés pour les techniques de type BGA à la place de pièces SMT plus grandes ou d'un trou traversant.

Bonne tenue en température

Et un bon fonctionnement en température est inutile si vous avez besoin d'une pièce en silicium standard à côté pour la contrôler.

Faible tension de commande de grille

La commande de tension de grille faible (généralement 5 V pour les composants EPC) est également associée à une tension de grille maximale basse (-4 V à + 6 V Vgs pour la partie liée ci-dessus). Cela signifie que votre pilote de portail doit être stable afin d'éviter que l'appareil ne s'endommage lui-même, et (encore) votre présentation doit être bonne. Cela s'est amélioré, mais reste une préoccupation.

Il y a beaucoup de désir de voir les avantages du GaN en remplacement immédiat d'une pièce en silicium. À ce rythme, le travail supplémentaire nécessaire pour assurer un fonctionnement stable et sûr, et le travail nécessaire pour tirer parti de la vitesse de commutation plus rapide signifient qu'il ne remplacera pas simplement les FET en silicium dans les anciennes conceptions. Comme FakeMoustache le mentionne, vous n’avez pas toujours besoin de meilleures performances (et parfois le transistor n’est même pas le point faible).

Le GaN devient utile dans l’amplification RF et la conversion de puissance (alimentations à découpage). Dans ce dernier cas, il nécessite beaucoup moins de refroidissement que Si, dans le premier cas, il peut fonctionner plus rapidement.

Mais pour les utilisations de l'amplification RF, il ne s'agit pas uniquement de concurrencer Si, mais de concurrencer GaAs (par exemple, les MMIC) et SiGe. Pour la conversion de puissance, le SiC devient également intéressant.

Mais il ne s'agit pas uniquement de coûts et de technologies concurrentes. Les meilleurs dispositifs GaN pour la résistance et la vitesse de commutation sont les HEMT. Les HEMT GaN sont des dispositifs normalement actifs¹ nécessitant une polarisation de porte négative pour les désactiver. Cela ajoute au coût et à la complexité du système, et signifie également qu'une défaillance du circuit de contrôle peut entraîner l'échec du transistor, ce qui est "intéressant" si vous utilisez des éléments tels que le HVDC.

Le GaN doit être développé sur un hétéro-substrat, ce qui rend la croissance plus difficile (ce qui augmente encore le coût). Malgré des années de recherche, cela affecte toujours la qualité matérielle des épilayers, avec des implications pour le compromis performance / durée de vie.

Ainsi, le GaN sera probablement une technologie très utile pour certaines applications de niche, devenant plus courant si il se développe plus rapidement que certaines des technologies concurrentes.

¹J'ai travaillé avec des HEMT au GaN sur des substrats de Si ayant une tension de seuil positive, mais je ne pense pas qu’ils soient encore parvenus sur le marché.

Alors, pourquoi produisons-nous encore principalement des transistors Si? Même si le transistor GaN est plus cher en production, il doit sûrement compenser s'il est utilisé dans les circuits intégrés?

Qu'est-ce qui vous fait croire que "cela doit sûrement compenser"? Ce n'est certainement pas le cas.

L'article (allemand) de GaN dans Wikipedia (allemand) indique que le principal problème de la production de dispositifs à base de GaN était et reste la difficulté de produire de grands monocristaux. L'article montre également, par exemple, un monocristal dont la longueur n'est que de 3 mm (même s'il est possible d'en produire de plus gros, il ne sera pas beaucoup plus grand).

En revanche, il est possible de produire des monocristaux de Si d’un diamètre d’ environ un demi-mètre (environ 500 mm) et dont la longueur est un multiple de celle-ci.

Cette différence énorme dans la taille des monocristaux que l'on peut obtenir montre clairement que la technologie du Si est bien plus avancée que la technologie GaN.

Et il y a plus d'aspects que la taille d'un seul cristal.

Les problèmes d’agencement mentionnés dans les réponses précédentes deviennent moins pertinents, les fabricants intégrant le circuit d’attaque et le transistor dans un boîtier unique, contournant ainsi le problème de la boucle de grille et de l’inductance de source commune. Donc, dans une large mesure, la question devrait être: "Quand utiliserons-nous le GaN partout?"