Novi materiali izboljšajo zmogljivost MOSFET

Osnovna načela in izzivi MOSFET
MOSFET je tranzistor z učinkom polja, ki temelji na krmiljenju napetosti in se pogosto uporablja na področjih, kot so upravljanje porabe energije, pogon motorja, ojačanje signala itd. Z naraščajočim povpraševanjem po gostoti moči, hitrosti preklapljanja in učinkovitosti v elektronskih napravah so omejitve Tradicionalni MOSFET-ji v materialih in postopkih postajajo vse bolj očitni, kar se kaže predvsem kot:

Težave pri zmanjševanju odpornosti:Tradicionalni MOSFET-ji na osnovi silicija se soočajo s povečanimi težavami pri zmanjševanju upora ob manjšanju velikosti, kar omejuje njihovo zmogljivost pri aplikacijah z visoko močjo in visoko frekvenco.

Protislovje med tlačno odpornostjo in zmogljivostjo odvajanja toplote:Medtem ko je izboljšana tlačna odpornost, je zagotavljanje učinkovitosti odvajanja toplote postalo izziv, zlasti v visokofrekvenčnih in visokotemperaturnih delovnih okoljih, kjer tradicionalni materiali težko izpolnjujejo zahteve.

Uporaba in prednosti novih materialov
Ob soočenju z izzivi tradicionalnih MOSFET-ov je uvedba novih materialov prinesla nove rešitve za izboljšanje zmogljivosti, ki vključujejo predvsem naslednje materiale:

Silicijev karbid (SiC)
Silicijev karbid ima odlične lastnosti, kot so širok pasovni razmik, visoka toplotna prevodnost in visoka prebojna električna poljska jakost, zaradi česar se MOSFET-ji na osnovi SiC dobro obnesejo pri visokotemperaturnih, visokonapetostnih in visokofrekvenčnih aplikacijah. V primerjavi s tradicionalnimi MOSFET-ji na osnovi silicija imajo SiC MOSFET-ji naslednje prednosti:

Nižji upor:SiC MOSFET lahko dosežejo nižji upor pri višjih napetostih, s čimer zmanjšajo izgubo moči.

Vrhunsko odvajanje toplote:Visoka toplotna prevodnost materiala SiC omogoča napravi boljšo sposobnost odvajanja toplote pri visokih temperaturah, zaradi česar je primerna za aplikacije z visoko močjo.

Vrhunska visokofrekvenčna zmogljivost:SiC MOSFET ima nizke preklopne izgube in je primeren za aplikacije visokofrekvenčne močnostne elektronike, kot so inverterji in pretvorniki DC-DC.

Galijev nitrid (GaN)
Galijev nitrid kot polprevodniški material tretje generacije je pritegnil veliko pozornosti zaradi širokega pasovnega razmika, visoke mobilnosti elektronov in visoke prebojne električne poljske jakosti. GaN MOSFET ima edinstvene prednosti v zmogljivosti v primerjavi s SiC:

Hitrejši visokofrekvenčni odziv:GaN MOSFET ima večjo preklopno hitrost kot SiC, zaradi česar je primeren za hitre komunikacijske naprave in visokofrekvenčne pretvornike moči.

Manjša velikost naprave:Zaradi visoke prebojne električne poljske jakosti materiala GaN je mogoče MOSFET GaN zmanjšati pod enako vzdržljivo napetostjo, kar pomaga doseči bolj kompaktno zasnovo vezja.

Večja energetska učinkovitost:V visokofrekvenčnih aplikacijah imajo MOSFET-ji GaN nižje izgube pri preklapljanju in splošno večjo energijsko učinkovitost, zaradi česar so posebej primerni za uporabo v električnih vozilih in potrošniški elektroniki.

Galijev oksid (Ga2O3)
Galijev oksid je kot nastajajoči material z ultra širokim pasovnim razmakom pokazal velik potencial. Zaradi širšega pasovnega razmika Ga2O3 je zelo potencialen za uporabo v visokotlačnih in visokotemperaturnih poljih.

Ultra visoka napetostna odpornost:Ga2O3 MOSFET lahko deluje v izjemno močnih električnih poljih, zaradi česar je primeren za uporabo v ultravisokonapetostni močnostni elektroniki.

Nizkocenovni potencial:V primerjavi s SiC in GaN ima material Ga2O3 večji stroškovni potencial in pričakuje se, da bo v prihodnosti postal ekonomična rešitev za visokonapetostne električne naprave.

Stanje uporabe in prihodnji trendi novih materialov v MOSFET-ih
Stanje tržne aplikacije
SiC MOSFET se pogosto uporabljajo na področjih, kot so električna vozila, električna omrežja in industrijski nadzor. Zlasti pri električnih vozilih visoka učinkovitost in visoka napetostna odpornost SiC MOSFET-jev pomaga izboljšati učinkovitost porabe baterije in splošno vzdržljivost. GaN MOSFET se dobro obnesejo v napravah za hitro polnjenje in visokofrekvenčnih komunikacijskih poljih. Njegova uporaba na področjih, kot so bazne postaje 5G in satelitska komunikacija, se postopoma širi. Čeprav so MOSFET-ji galijevega oksida še v fazi raziskav in razvoja, je njihov potencial splošno priznan.

Prihodnji razvojni trendi
Z nenehnim napredkom tehnologije novih materialov se bo zmogljivost naprav MOSFET še naprej izboljševala. Prihodnji razvojni trendi lahko vključujejo:

Sodelovalna aplikacija za več materialov:MOSFET-ji, izdelani iz različnih materialov, bodo izkoristili svoje prednosti v različnih scenarijih uporabe in ustvarili komplementarne učinke. Na primer, SiC in GaN MOSFET lahko delujeta skupaj v visokonapetostnih in visokofrekvenčnih aplikacijah.

Integracija naprave:Z napredkom tehnologije bodo postale trend večnamenske integrirane naprave MOSFET, ki bodo združevale različne materiale in značilnosti naprave v enem čipu za doseganje učinkovitejše pretvorbe energije in upravljanja.

Nenehno raziskovanje novih materialov:Poleg obstoječih SiC, GaN in Ga2O3 bo morda v prihodnosti odkritih in uporabljenih več novih materialov, kot so diamant, oksidi z ultra širokim pasovnim razmakom itd., kar bo še naprej spodbujalo razvoj tehnologije MOSFET.

http://www.trrsemicon.com/transistor/mosfet-transistor/irlml2246trpbf.html