Gallium nitride, viết tắt GaN, là một chất dẫn bán đồng nhất III-V có cấu trúc tinh thể Wurtzite và khe hở năng lượng khoảng 3,4 eV. Chính khe hở rộng đó giúp GaN chịu được điện áp và tần số cao hơn silicon nhiều lần, nhờ đó ngày càng nhiều củ sạc nhanh, đèn LED xanh và khuếch đại công suất trạm viễn thông dùng vật liệu này thay cho silicon truyền thống.
GaN khác silicon ở chỗ nào
Silicon là chất dẫn bán gián tiếp với khe hở năng lượng chỉ khoảng 1,12 eV, nên điện tử bị hãm mạnh bởi khi chuyển vùng dẫn. GaN thuộc nhóm bán dẫn trực tiếp, khe hở năng lượng đo được 3,4 eV ở nhiệt độ 300 K, tức gấp khoảng ba lần silicon. Khe hở rộng đồng nghĩa điện tử cần nhiều năng lượng hơn để nhảy sang vùng dẫn, nên hiệu suất chuyển đổi điện được cải thiện rõ rệt.
Một đặc trưng nữa là độ cứng và nhiệt độ nóng chảy trên 1.600 độ C, cao hơn hẳn silicon. Nhờ vậy linh kiện GaN chịu được nhiệt độ cao hơn mà vẫn giữ nguyên đặc tính, phù hợp với môi trường công nghiệp và xe điện.
Tại sao trường điện giới hạn lại quan trọng
Trường điện giới hạn là giá trị điện trường mà tại đó chất dẫn bán bị đột phá, sinh dòng rò rỉ và hỏng. Với vật liệu bán dẫn rộng, trường này cao gấp khoảng mười lần so với chất bán dẫn quy ước. Hệ quả trực tiếp là GaN cho phép đặt công suất cao hơn trên cùng một diện tích chip, đồng thời tỷ lệ công suất mất khi chuyển mạch thấp hơn.
Thêm vào đó, độ dẫn điện của GaN vẫn giữ ở mức cao ngay cả khi nhiệt độ tăng, nên tổng công suất mất chuyển mạch thấp hơn đáng kể so với một tầng công suất silicon tương đương. Đây là lý do các nhà sản xuất chuyển sang GaN cho cả tầng chỉnh lưu nguồn, không chỉ tầng khuếch đại.
Cấu trúc HEMT và lớp khí điện tử hai chiều
Phần lớn công suất GaN thương mại dựa trên linh kiện HEMT, viết tắt của transistor trường tốc độ di chuyển cao. Cấu trúc này ghép hai vật liệu có khe hở năng lượng khác nhau, ví dụ một lớp nhôm gallium nitride đặt trên lớp gallium nitride, để tạo ra một dải dẫn hẹp đầy điện tử.
Điểm mấu chốt là kỹ thuật cấy pha tạo lớp khí điện tử hai chiều. Kỹ thuật này đặt các tạp chất nội tại ở một vùng tách biệt với vùng chuyển động của điện tử, nhờ đó điện tử không bị va chạm vào tạp chất, độ di động cao hơn hẳn cấu trúc MOSFET thông thường.
Hai hướng chế tạo phổ biến là HEMT cổng p-GaN, cho transistor chế độ tăng cường nghĩa là tắt khi chưa có điện áp cổng, và HEMT cổng khâu. Bản cổng p-GaN thuận tiện cho tầng chỉnh lưu vì có thể thay thế transistor silicon âm pha mà không cần thêm tầng tắt bằng công suất.
GaN đang dùng ở đâu
- Sạc nhanh: cổng sạc USB-C công suất 65 W trở lên gần đây chuyển hầu hết sang GaN, đạt được mật độ công suất cao hơn trong cùng thể tích.
- Đèn LED: gallium nitride kết hợp với hợp chất indi làm lớp bán dẫn hoạt tính trong đèn LED xanh và tia laser xanh dương.
- Trạm viễn thông: transistor công suất GaN dùng trong tầng khuếch đại của trạm thu phát, nơi hiệu suất chuyển đổi điện quyết định mức tiêu thụ điện của cả trạm.
- Máy quét laser: đầu phát laser điểm sử dụng điốt laser bán dẫn gallium nitride có thể phát tia sóng ngắn với công suất cao.
So sánh thông số với silicon
| Thông số | Silicon | Gallium nitride |
|---|---|---|
| Khe hở năng lượng | 1,12 eV, bán dẫn gián tiếp | 3,4 eV, bán dẫn trực tiếp |
| Trường điện giới hạn | Quy ước | cao gấp khoảng mười lần |
| Điện tử di chuyển | Thấp hơn nhiều | cao nhờ lớp khí điện tử hai chiều |
| Nhiệt độ nóng chảy | Thấp hơn 1.600 độ C | trên 1.600 độ C |
Giới hạn khi dùng GaN
- Chi phí chế tế vẫn cao hơn silicon, dù chênh lệch đang thu hẹp khi các dòng sản xuất mở rộng.
- Mật độ công suất lớn kéo theo yêu cầu tản nhiệt cao, nếu tản nhiệt kém nhiệt độ linh kiện sẽ giảm tuổi thọ.
- Trong môi trường có tia bức xạ, linh kiện cần được đánh giá riêng về khả năng chịu bức xạ trước khi dùng trong xe điện hay thiết bị y tế.
So sánh trực tiếp giữa hai củ sạc 30 W cho thấy rõ tác dụng thực tế: củ sạc dùng GaN nhỏ hơn đáng kể so với củ sạc silicon cùng công suất, vì lớp bán dẫn chịu được điện áp cao hơn và mất ít công suất hơn khi chuyển mạch.
Tóm lại, gallium nitride không phải một linh kiện mới chỉ để khoe công nghệ, mà đã thành mặt định trong sạc nhanh, đèn LED xanh và khuếch đại công suất trạm viễn thông. Nếu đang chọn củ sạc hoặc thiết bị điện tử, chỉ cần nhìn vào nhãn GaN là biết thiết bị đó dùng vật liệu nào.
Cách nhận một củ sạc dùng GaN
Trên vỏ củ sạc hoặc trang thông số của nhà sản xuất, cụm chữ GaN thường xuất hiện cùng công suất. Với sạc dưới 30 W, khác biệt giữa silicon và GaN gần như không đáng kể về kích thước, vì ở công suất thấp lợi ích tiết kiệm chưa đủ bù chi phí linh kiện. Từ khoảng 45 W trở lên, mật độ công suất bắt đầu bị giới hạn bởi chất bán dẫn, và lợi ích của GaN mới thể hiện rõ.
Một cách kiểm tra thực tế là xem trọng lượng và kích thước so với củ sạc cùng công suất của hãng khác. Hai củ cùng 30 W nhưng một củ nhỏ hơn rõ rệt thường là dấu hiệu cho thấy hãng đã chuyển sang GaN.
Nguồn tham khảo
- Wikipedia: Gallium nitride, số liệu khe hở năng lượng và độ di động điện tử
- Wikipedia: Wide-bandgap semiconductor, so sánh trường điện giới hạn với bán dẫn quy ước
- Wikipedia: High-electron-mobility transistor, nguyên lý cấy pha và lớp khí điện tử hai chiều
- Infineon: công nghệ gallium nitride và ứng dụng sạc nhanh
