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半導(dǎo)體/PCB
怎么樣才能稱得上是顛覆性的半導(dǎo)體技術(shù)?
星之球科技 來源:eefoucs2015-09-27 我要評論(0 )
最近AlexLidow(前IRCEO,現(xiàn)EPCEfficient Power Conversion 的CEO)發(fā)表文章,講述了比較新的氮化鎵(GaN)技術(shù),現(xiàn)將這篇文章翻
最近AlexLidow(前IRCEO,現(xiàn)EPC—Efficient Power Conversion 的CEO)發(fā)表文章,講述了比較新的氮化鎵(GaN)技術(shù),現(xiàn)將這篇文章翻譯出來與大家共享。
用氮化鎵替代硅
38年前AlexLidow剛從斯坦福博士畢業(yè)以后,接觸到的第一個半導(dǎo)體項目就是開發(fā)一種新型的晶體管,性能要勝過當(dāng)時主流的雙極型晶體管。1970年代的晶體管大體上還是采用1947年Brattain、Bardeen和Shockley于1947年在貝爾實驗室發(fā)明的晶體管工藝來生產(chǎn)(三人因為發(fā)明晶體管而獲得1956年的諾貝爾物理學(xué)獎)。AlexLidow和他的同事TomHerman決心利用當(dāng)時最先進的IC技術(shù)來開發(fā)新型晶體管,以打破這種30多年舊工藝的壟斷。經(jīng)過兩人不懈的努力,以及整個開發(fā)團隊的杰出貢獻,最終他們發(fā)明了功率MOSFET(Alex和Tom將其命名為HEXFET)。MOSFET是一項真正的顛覆性技術(shù),只用了大概15年的時間就取代了大部分雙極型晶體管的市場份額。
這段經(jīng)歷使得AlexLidow認(rèn)為,一項新半導(dǎo)體技術(shù)是否能夠成為主流技術(shù),主要決定于以下四點:
1.能否基于該技術(shù)產(chǎn)生重要的新型應(yīng)用?
2.該技術(shù)是否容易使用?
3.對于客戶來說,該技術(shù)是否在成本上極具優(yōu)勢?
4.該技術(shù)是否可靠?
在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,氮化鎵工藝能夠取代硅工藝成為新一代主流技術(shù)嗎?讓我們逐條來看一下吧
能否基于該技術(shù)產(chǎn)生重要的新型應(yīng)用?
氮化鎵晶體管的開關(guān)速度比硅晶體管高,這將使得很多新型應(yīng)用成為可能:
*包絡(luò)追蹤:包絡(luò)追蹤(實時測量信號幅度)是一種電源管理技術(shù),用于衛(wèi)星、基站和手機上的射頻功率放大器(RFPA)可以利用包絡(luò)追蹤技術(shù)來提高其能源利用效率。信號調(diào)制時射頻PA會需要不同的供電電壓,包絡(luò)追蹤就是根據(jù)PA的需求提供相應(yīng)的電壓給PA。如果只采用一個固定電壓給PA供電,那么為防止出現(xiàn)截止失真,RFPA就要工作在最大功率,包絡(luò)追蹤保證發(fā)射器工作在最合適的功率上,因此與固定電壓供電模式相比,包絡(luò)追蹤更省電。氮化鎵晶體管是現(xiàn)在唯一能在4GLTE基站實現(xiàn)包絡(luò)追蹤功能的晶體管。
*無線充電:手機、游戲機、筆記本、平板,甚至是電動汽車都可以利用無線的方式來完成充電。A4WP剛剛批準(zhǔn)了一種高頻(6.78MHz)無線充電的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在硅功率器件(功率MOSFET)還不能在這么高的頻率上進行工作,利用IC和氮化鎵晶體管或許是一種方案,因為氮化鎵晶體管的開關(guān)速度足夠快。
*激光雷達(LightDistancingandRanging,簡稱LiDAR):激光雷達利用脈沖激光可以快速產(chǎn)生周圍環(huán)境的三維影像,這項技術(shù)廣泛用在地理測繪和無人駕駛汽車上。氮化鎵晶體管的高開關(guān)速度保證了超高的分辨率和快速相應(yīng),可以使激光雷達的應(yīng)用從測繪拓展到增強現(xiàn)實和真正的無人駕駛汽車上。
該技術(shù)是否容易使用?
EPC開發(fā)設(shè)計的氮化鎵晶體管(eGaNFET)在使用方法上與功率MOSFET很像,所以有經(jīng)驗的電源系統(tǒng)工程師只需要很少的訓(xùn)練就可以使用。為了幫助設(shè)計工程師快速掌握氮化鎵晶體管的使用方法,EPC在氮化鎵器件的教育和推廣上不遺余力。EPC現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表了100多篇關(guān)于氮化鎵的文章和演講稿,2011年EPC出版了業(yè)界第一本氮化鎵晶體管的教科書(英文版和中文版都有)《氮化鎵晶體管--高效功率轉(zhuǎn)換器件》(GaN Transistors for Efficient Power Conversion),這本書的第二版已于2015年出版。EPC與全球60多所大學(xué)進行合作,目的就是為了培育新一代熟練掌握氮化鎵技術(shù)的電源設(shè)計工程師。
該技術(shù)是否在成本上極具優(yōu)勢?
EPC設(shè)計生產(chǎn)的氮化鎵采用類似硅功率MOSFET的工藝,但工藝步驟比MOSFET少很多。此外,不像硅MOSFET,氮化鎵晶體管不需要高成本的封裝來保護自己。僅封裝這一項,氮化鎵晶體管就可以把制造成本降低一半,再加上高良率,EPC生產(chǎn)的氮化鎵晶體管在成本上比相對應(yīng)的硅功率晶體管(性能比氮化鎵晶體管要差)低很多。現(xiàn)在氮化鎵器件的成本已經(jīng)足夠低,何況設(shè)計師還可以利用氮化鎵的性能優(yōu)勢來實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本。
該技術(shù)是否可靠?
到今天為止,無論是在制造廠經(jīng)歷的幾千萬小時的壓力測試,還是實際應(yīng)用當(dāng)中幾百億器件時(devicehour)的實測數(shù)據(jù),都顯示氮化鎵技術(shù)已經(jīng)滿足商業(yè)應(yīng)用的可靠性。
總結(jié)
開關(guān)速度快、尺寸小、成本低又可靠性高使得氮化鎵晶體管具備了在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域替代MOSFET的要素,類似的分析可以得出在模擬IC領(lǐng)域氮化鎵工藝同樣具備優(yōu)勢,也許三到五年以后,數(shù)字IC領(lǐng)域也會用到氮化鎵工藝,氮化鎵這種新技術(shù)的好戲才剛剛開始。
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