本文介绍了砷化镓，并探讨了它如何比较其他流行的半导体材料，并探索利用各种材料的不同部件。
硅长长地保持其作为半导体的关键材料。然而，砷化镓以及其他化合物，如氮化镓和碳化硅，现在正在共享舞台。那么砷化镓是什么，它与其他化合物有何不同？让我们探索这个化合物，看看它是如何用作半导体材料的。
什么是砷化镓？
砷化镓（GaAs）是一种由镓和砷的元素构建的化合物。它通常被称为III-V化合物，因为镓和砷分别位于III组和v组周期表中。
图1。砷化镓化合物。棕色代表镓和紫色代表砷。图片礼貌Shandirai Malven Tunhuma - 比勒陀利亚大学。
砷化镓的使用不是一种新技术。实际上，DARPA一直在资助研究自20世纪70年代以来的技术。虽然基于硅的技术已经“微电子革命的骨干物质，但是GaAs电路以较高的频率和信号放大功率运行，这使得通过手掌尺寸的手机连接的世界。”雷竞技最新app
砷化镓导致了GPS接收器的小型化在20世纪80年代。这使激光引导的精密弹药，在此期间进入美国武器。
不同半导体材料的带隙
在没有进入深深的理论物理学中，材料的带隙具有材料原子壳层之间的空间。较大的空间意味着它需要更多的能量来使半导体的电子“跳转”到下一个壳体，并使半导体移入导电状态。正如我们将看到的那样，这有许多重要的影响。
比较GaAs，Si，SiC和GaN带节
具有高电子移动性，由GaAs构建的半导体器件可以在数百GHz中的频率下起作用。
虽然没有真正被认为是“宽带隙”材料，但是GaAs确实比硅具有相当高的带凝。批判性地，这使得GaAs对辐射具有高度抗性，因此是防御和航空航天应用的伟大选择。另一个卖点是GaAs设备更耐热，放出更少的EMI。
GaAs具有直接的带隙，而不是硅的间接带隙。因此，GaAs可以比硅制成的那些更有效地发光。这使得GaAs LED在硅构造的那些上有一个明显的优势。
硅的一个主要优势在于，在大规模的大众世界中，硅更易于使用。硅具有“天然氧化物”，二氧化硅（SiO2）。该就绪绝缘体是制造硅装置的宝贵资产。GaAs没有模拟。
在这种书写中，正在开发到七纳米水平的硅处理。随着GaAs此时可以逐渐低500纳米。虽然GaAs快速，但它需要权力。因此，对于普通的中低速逻辑，硅可能仍然是去的方式
氮化镓和碳化硅
如下所述，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）特征带隙，其超出硅或GaAs的过量。
| 材料 | 带隙 |
| 硅（Si） | 1.1电源（EV） |
| 砷化镓（GaAs） | 1.4电源（EV） |
| 碳化硅（SIC） | 3.0电子volts（EV） |
| 氮化镓（GaN） | 3.4电子避险（EV） |
碳化硅可用于构建高电压的功率MOSFET，高功率应用在高频上运行。它们可以耐受高温，并具有温度稳定的RDS（上）值。RDS是从排水管到源的阻力，任何电力应用中的一个极其关键的参数。
图2。碳化硅。图片（修改）提供的蒙斯特大学。
氮化镓也具有比碳化硅和更高的电子迁移率更高的带隙。该技术固有地下输出和栅极电容进一步实现了高速操作。GaN设备缺少基于硅的设备固有的体二极管。这有助于消除恢复损失，提高运营效率和降低EMI。
图3。氮化镓。图片礼貌布里斯托尔大学。
碳化硅可用于构建高电压的功率MOSFET，高功率应用在高频上运行。它们可以耐受高温，并具有温度稳定的RDS（上）值。RDS是从排水管到源的阻力，任何电力应用中的一个极其关键的参数。
氮化镓也具有比碳化硅和更高的电子迁移率更高的带隙。该技术固有地下输出和栅极电容进一步实现了高速操作。GaN设备缺少基于硅的设备固有的体二极管。这有助于消除恢复损失，提高运营效率和降低EMI。
德州仪器公司的LMG3410R050 GaN器件
TI的方法是包括栅极驱动电路以及600V GaN晶体管。这LMG341xR050的(PDF)相对于硅mosfet的固有优势包括超低的输入和输出电容，以实现高速运行。通过零反向恢复降低开关损耗是另一个好处。
图4。LMG3410R050。图片礼貌德州仪器。
像LMG3410R050这样的GaN器件没有反向恢复损耗，因为不同于硅mosfet，在源极和漏极之间没有PN结。
该集成栅极驱动器专门调谐到GaN器件，以便在栅极上不振铃的情况下快速驱动。它为OEM节省时间、空间和BOM成本，并通过提供过流和过温保护防止故障。
Cree的亿美元对SiC Mosfet的承诺
在High Bandgap半导体的世界中，SIC是另一个强大的竞争者，如表现Cree的承诺对技术。
Cree提供了许多SIC MOSFET，包括C2M0045170D.。该设备额定值为1700V和72A。最大结温为150°C。重要的是，它体育一个只有45毫升的RDS（上）。
该公司的CAB450M12XM3.（PDF）是1200V，450A碳化硅半桥模块。
图5。CAB450M12XM3。图片礼貌Cree-wolfspeed（PDF）。
175°C的连续结动操作是可能的。该高功率器件设计用于：
- 电动机和牵引率
- 车辆的快速充电器
- 不间断电源
砷化镓LED
这些设备更常见于晶片中，但Vishay提供了TSUS4300.（PDF），在950纳米处辐射的离散GaAs LED。其中一个规格是它们提供“与SI光电探测器的良好光谱匹配”，“下面的下一节的中心点”。
砷化镓是比硅更好的选择吗？
我们已经讨论了一些概论和总体特征，但是设计师必须仔细分析特定设计的特定需求，而不是根据先入为主的观念来选择材料。有时，答案并不是最初预期的那样。
在一篇文章中模拟设备的Theresa Corrigan，N沟道CMOS MOSFET在用作宽带（900MHz较高）电子开关时与GaAs设备形成对比。
GaAs的优势
- 抵抗力低
- 低电容
- 高频率下的高线性度
CMOS的优点
- 4 GHz的3DB或更少损失
- 低功耗
- 无需DC阻塞电容
- 端口之间的高孤立
她的结论？有时使用更传统的硅选择选择仍然在顶部出现。但是，每个新的半导体材料都提供不同的益处。
