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矽材料已近物理極限急尋接班 寬能隙GaN表現優異可望出線
以下將介紹以GaN材料的功率晶體,包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性,以便對此新材料及新元件有進一步的認識。
認識氮化鎵材料特性
寬能隙的材料相較於矽材料,有較高的電子能階,矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶,而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV,GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度,而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上,寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性,應用在電源轉換器上,可以有效提高其功率密度。
早期矽功率開關元件是採橫向的結構設計,但在給定的導通電阻RDS(on)下,晶體尺寸過大,最終無法有效降低導通電阻。為解決這個問題,目前矽的功率開關採用垂直結構設計,其閘極(Gate)與源極(Source)在頂部,汲極(Drain)在底部。
圖1為GaN HEMT功率開關的剖面結構圖,使用橫向結構的水平型設計,GaN可以外延生長到矽的基底上,GaN HEMT有別於其他傳統半導體,具有非常強的極化(Polarization)效應,除了因III-V離子鍵和晶格結構所形成的自發性(Spontaneous Polarization)極化外,在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層之間產生異質結構,成長異質結構因晶格不匹配而形成的晶格擠壓,額外造成壓電電極化(Piezoelectric Polarization),這兩個極化效應使得異質介面結構促使GaN的能帶(Band)朝氮化鎵鋁(AIGaN)方向自然彎曲。因此,彎曲的部分就會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層,稱為二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG),此二維(2D)電子氣的電子遷移率極高,因此能達到非常快的切換速度,所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT),也因為二維電子氣的特性使得元件結構中的導通電阻可以大幅降低,尤其是用來承受反向偏壓電壓的漂移區(Drift Region)所貢獻的導通電阻部分。
圖1 橫向增強型GaN HEMT的截面圖
半導體必須外接偏壓,提供足夠的電子伏特才能跨越費米能階(Fermi Level),使半導體從絕緣體變成導體,但在GaN和AlGaN接面處形成的二維電子氣讓GaN HEMT不需要外置偏壓即可導電。製程上,GaN HEMT將源極和汲極的金屬連接二維電子氣,所以GaN HEMT本身是常開型(Normal On)的半導體元件,閘極位於汲極和源極之間用來控制GaN HEMT的導通與截止。但常開型的GaN HEMT,在電源轉換器使用上會造成驅動電路的設計複雜化。
如何將常開型的GaN HEMT改變為常閉型(Normal Off)的GaN...
Dialog收購Silicon Motion行動通信產品線
Dialog宣布已簽署最終協議,收購Silicon Motion Technology Corporation的FCI品牌行動通信產品線。此次收購為Dialog大舉填補連接產品陣容,包括超低功耗Wi-Fi系統單晶片(SoC)和相關模組、行動電視SoC和行動通信收發器IC。
在2018年第四季,FCI開始大量生產他們的第一款超低功耗Wi-Fi SoC(FC9000),並伴隨著一系列完全通過Wi-Fi認證的模組解決方案,包括整合天線選項。該產品系列專為電池供電物聯網設備的需求而設計,可與互聯網接入點(AP)直接連接,同時提供銀行等級安全性。完整的軟體堆疊以及完整參考設計和評估平台組成全面的低功耗系統解決方案,可滿足最嚴苛的客戶要求。
Dialog的執行長Jalal Bagherli表示,收購Silicon Motion的行動通信產品線為Dialog客戶提供超低功耗Wi-Fi SoC和經過認證和設計的完整模組,可滿足當今所有電池供電物聯網設備的需求。超低功耗Wi-Fi是Dialog的強大戰略契合,讓Dialog有機會將Wi-Fi和藍牙低功耗晶片和模組結合供應給物聯網、消費性及汽車市場。
除了目前的產品線外,此次收購還為Dialog帶來了廣泛的新技術和工程能力,包括在蜂窩4G和5G的RF無線通訊、窄頻物聯網(NB-IoT)收發器、功率放大器和深次微米晶片設計等領域具備豐富的設計專業知識。結合Dialog廣泛的可組態混合訊號、低功耗和連接專業知識,此次收購等於搭建良好平台,為開發及整合一系列新產品最好準備。
芯科推出全新藍牙5.1提升3倍定位精度
芯科科技(Silicon Labs)宣布推出全新Wireless Gecko產品系列之Bluetooth軟體,該產品為業界最全面性的物聯網(IoT)連接解決方案。Silicon Labs的商業、工業和零售客戶可透過最新藍牙核心規格5.1中新增的藍牙測向功能提升定位服務精確度,例如室內導航、資產追蹤、空間運用和興趣點(POI)搜尋等。
因應不斷成長的定位服務市場需求,藍牙新增全新的測向功能以利裝置判斷藍牙訊號的方向。新功能可支援多種辨別訊號方向的方法,包括到達角(AoA)與出發角(AoD),Silicon Labs採用的藍牙新功能可判斷5度角內的訊號方向。目前,藍牙資產追蹤和室內定位解決方案提供的定位精度範圍約3~4公尺,藉由Silicon Labs藍牙5.1解決方案,開發人員將能設計定位精度高達1公尺內的產品,實現互連應用的全新可能。
Silicon Labs資深副總裁暨物聯網產品總經理Matt Johnson表示,Silicon Labs藍牙測向解決方案為業界在定位服務的精準度帶來重大突破,Silicon Labs無線解決方案結合藍牙5.1的新增功能,有助於開發人員重塑產業並提升人們的生活品質。
除定位服務升級之外,藍牙5.1還能協助開發人員測量精確的睡眠時脈並降低功耗、使用GATT緩存功能提升智慧家庭連線品質,以及利用廣告通道指標在高干擾的RF環境中優化藍牙網狀網路信標(beacon)。
藍牙技術聯盟執行總監Mark Powell表示,我們一直積極滿足不斷變化的市場需求和開拓新契機,新增的藍牙測向功能實現了這項承諾,帶動創新並支援定位服務市場中的龐大商機。