Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Diody Schottky'ego i tranzystory HEMT zintegrowane z układami z GaN

ghost666 30 Jan 2022 18:25 831 0
  • Wznosząc układy scalone mocy z azotku galu na wyższy poziom, naukowcy z firmy Imec donoszą o współintegracji diod barierowych Schottky'ego i tranzystorów o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) na jednej, inteligentnej platformie zasilania. Postęp, o którym poinformowano podczas Międzynarodowego Spotkania Urządzeń Elektronowych odbywającego się w tym tygodniu, łączy wysokowydajne diody barierowe Schottky'ego i elementy HEMT w układzie GaN z kanałem typu P, opartym na HEMT. Platforma została opracowana na podłożu o średnicy 200 mm. Połączenie to umożliwia projektowanie układów scalonych o zwiększonej funkcjonalności i wydajności. Imec twierdzi, że integracja ta toruje drogę mniejszym, bardziej wydajnym przetwornicom DC/DC i impulsowym stabilizatorom zasilania.

    „Tranzystory typu D HEMT umożliwiają poprawę parametrów ważnych zarówno dla elementów logicznych, jak i analogowych poprzez zastąpienie funkcji odwracających RTL [Resistor/Transistor Logic] przez DCFL [Direct-Coupled FET Logic], co poprawia charakterystykę podciągania bramek odwracających” — wskazuje w wywiadzie Stefaan Decoutere, dyrektor programowy Imec ds. technologii GaN. „Nie ma dobrych urządzeń z kanałem typu P produkowanych z GaN — ruchliwość dziur jest około 60 razy mniejsza w porównaniu z elektronami — toteż logika komplementarna, taka jak w CMOS, nie jest realistycznie osiągalna. Niskonapięciowa dioda Schottky'ego oferuje dodatkowe funkcje na chipie, takie jak przesuwanie poziomu i ograniczanie napięcia. Dioda Schottky'ego o wysokim napięciu pracy może być wykorzystana do poprawy działania w trzecim kwadrancie klucza niskiego napięcia, aby uzyskać lepszą wydajność energetyczną” — dodaje Decoutere.

    Następnym krokiem jest opracowanie prototypowego układu scalonego GaN i przeniesienie procesu na tańszy 200-milimetrowy substrat. Wcześniej „GaN-na-Si był przetwarzany na podłożach o mniejszej średnicy [typowo 4 i 6 cali — przyp. red.], a teraz wiele fabryk przeniosło swoją technologię GaN do substratów 200 milimetrów” — tłumaczy Decoutere. Wyzwaniem dla podłoży GaN-na-Si o większej średnicy jest stabilność mechaniczna podłoży, biorąc pod uwagę niedopasowanie między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej warstw GaN/AlGaN a leżącym poniżej podłożem krzemowym. „Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu bufora, np. supersieciowego i ulepszonym narzędziom do osadzania MOCVD, problem stabilności mechanicznej został rozwiązany, umożliwiając przetwarzanie GaN na podłożach 200 mm” — odznaczył naukowiec z Imec.

    GaN HEMT

    Azotek galu — GaN — to półprzewodnik o szerokiej przerwie wzbronionej zyskujący popularność w zastosowaniach energetycznych, które wcześniej były zdominowane przez komponenty na bazie krzemu. Wysoka sprawność, zdolność do działania przy wyższych częstotliwościach przełączania i temperaturach niż w przypadku krzemu oraz mniejsza powierzchnia zajmowana przez elementy GaN, to atrybuty umożliwiające danemu materiałowi lepszą obsługę wymagających aplikacji zasilania.

    GaN HEMT przyciągnęły uwagę ze względu na szereg zastosowań, w tym we wzmacniaczach mocy o wysokiej częstotliwości i urządzeniach wysokonapięciowych używanych w energoelektronice. Ich rozwój koncentruje się obecnie na elementach GaN HEMT z podłożami na bazie krzemu. Ma to na celu zmniejszyć koszty i przyspieszyć integrację z komponentami krzemowymi. Ze względu na niedopasowanie sieciowe i termiczne między GaN i Si, często powstają defekty na granicy faz GaN-Si.

    GaN HEMT mają mniejszą wartość Rds(on) i parametr FOM. FOM może być od czterech do dziesięciu razy niższy niż w przypadku superzłączowych FET-ów, w zależności od wskazań napięcia i prądu. W rezultacie elementy GaN doskonale nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Straty przy przewodzeniu są niższe, a w konsekwencji sprawność wyższa, gdy używany jest GaN HEMT z niewielką wartością RDS(on).

    Nie ma również ładunku zwrotnego w GaN HEMT, ponieważ nie mają one diody wbudowanej. Urządzenia te cechuje zmienna charakterystyka w zależności od napięcia bramki oraz są zdolne do przewodzenia odwrotnego. Diody podłączone antyrównoległe nie są wymagane, co oznacza, że zdolność przewodzenia wstecznego jest zaletą na poziomie systemu w porównaniu z typowymi tranzystorami IGBT. Eliminując straty powrotne, GaN umożliwia sprawną pracę nawet przy wysokich częstotliwościach przełączania.



    Sterowanie

    Kontrolowanie urządzeń GaN jest trudniejsze niż sterowanie zwykłym MOSFET-em, ponieważ GaN wymaga krótszych czasów włączania i wyłączania (co oznacza wyższe dV/dt). A także niższego i ściślej kontrolowanego napięcia włączania bramki. Optymalizacja indukcyjności pętli bramkowej i zasilania, rezystorów bramkowych, jak również drenu i źródła to kluczowe wyzwania dla sterowania elementami GaN na poziomie płytki. Projektanci muszą skoncentrować się na kontroli czasu martwego, odporności na zakłócenia dV/dt, ujemnym napięciu źródła i przeładowaniu na poziomie sterownika bramki. Symetria między górną i dolną stroną sterownika bramki jest kolejnym ważnym czynnikiem, ponieważ wymaga dopasowania opóźnienia poniżej 1 ns, tym samym, zmniejszając czas martwy.

    Elektronika mocy oparta o GaN pozostaje w większości komponentami dyskretnymi wymagającymi zewnętrznego układu scalonego w postaci sterownika do generowania sygnałów przełączających. Jednak przy integracji funkcji sterownika w urządzeniu monolitycznym można jeszcze lepiej wykorzystać wysoką prędkość przełączania GaN.

    Wśród przeszkód w opracowywaniu układów zasilania GaN problemem jest głównie brak urządzeń z kanałem typu P GaN o akceptowalnych parametrach. Technologia CMOS wykorzystuje symetryczne pary tranzystorów FET typu P i N z podobną ruchliwością dziur i elektronów. Jednak w przypadku GaN ruchliwość dziur jest około 60 razy gorsza niż elektronów. To znaczy, że urządzenie z kanałem typu P, w którym dziury są nośnikami większościowymi, byłoby 60 razy większe niż jego odpowiednik z kanałem typu N, co czyniłoby je wysoce nieefektywnym w rzeczywistej aplikacji. Jedną z alternatyw jest zastąpienie P-MOS-ów tranzystorem z opornikiem, co pozwala na kompromisy między czasem przełączania a zużyciem energii (patrz poniżej).

    Diody Schottky'ego i tranzystory HEMT zintegrowane z układami z GaN
    Przekroje procesowe komponentów wysokonapięciowych wytworzonych na podłożach 200 mm GaN-on SOI (a) pGaN-HEMT w trybie e (b) MIS-HEMT w trybie d, (c) dioda barierowa Schottky'ego. Wszystkie urządzenia zawierają metalowe płytki polowe oparte na warstwach metalowych typu front-end i interkonekt, oddzielone warstwami dielektrycznymi.


    Firma Imec twierdzi, że poprawiła parametry dzięki połączeniu urządzeń HEMT w trybie E i E. Według Decoutere, rozszerzenie platformy funkcjonalnej E-mode HEMT na SOI o skoordynowane tranzystory D-mode HEMT umożliwia zwiększenie prędkości i redukcję rozpraszania mocy w obwodach. Innym kluczowym elementem dla integracji układów scalonych GaN mocy jest dioda barierowa Schottky'ego. Diody Schottky GaN łączą w sobie wyższe napięcia blokowania z mniejszymi stratami przełączania niż analogiczne elementy krzemowe.

    Jak twierdzi Imec, platforma GaN-IC jest już dostępna do prototypowania za pośrednictwem usługi wafla wieloprojektowego oraz dla partnerów firmy.

    Diody Schottky'ego i tranzystory HEMT zintegrowane z układami z GaN
    Pocięty wafel GaN.


    Celem firmy jest obecnie opracowanie wersji 650 V do zastosowań związanych z przełączaniem i konwersją zasilania wysokiego napięcia oraz dla szybkich ładowarek do smartfonów, tabletów i laptopów.

    Źródło: https://www.eetimes.com/schottky-diodes-hemts-integrated-with-gan-ic/

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11197 posts with rating 9463, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.