logotypen
 
 

IN FOCUS

Gallimnitridi tuo laatua, kestävyyttä ja luotettavuutta

Gallium-nitridi (GaN) tarjoaa merkittäviä etuja tehokkuuden ja tehotiheyden lisäämisessä, mikä mahdollistaa suunnittelijoille huomattavasti haastavampien virtalähdemääritysten täyttämisen verrattuna piipohjaisiin MOSFET-komponentteihin. Yksi kohtuullinen huolenaihe minkä tahansa uuden, merkittäviä etuja tarjoavan teknologian suhteen on sen kestävyys ja luotettavuus. Poistaaksemme mahdolliset epäilykset, joita käyttäjillä saattaa olla, tarkastellaan GaN-teknologian kestävyyttä, luotettavuutta ja laatua.

Lue lisää...

Tehoelektroniikan suunnittelijat ja komponenttien myyjät ovat innostuneet laajan kaistaeron puolijohdetekniikoista, kuten SiC ja GaN, mutta nämä eivät ole uusia teknologioita. GaN on peräisin 50 vuoden takaa ja piikarbidin käytettiin elektroniikassa jo yli 100 vuotta sitten. Mistä innostus sitten johtuu. Tämä artikkeli selittää teorian laajakaistaisten materiaalien etujen takana, käytetyt valmistustekniikat ja sen, miksi ne sopivat erityisen hyvin ratkaisemaan elektroniikkasuunnittelijoiden nykyisiä haasteita.

Ennakoiva kunnossapito lisää toiminnan tehokkuutta ja vähentää kustannuksia teollisuuden IoT-sovelluksissa. Jäykistä huoltoaikatauluista päästään joustavaan ylläpitoon hyödyntämällä tekoälypohjaisia anturiratkaisuja. Tähän tarkoitukseen on jo tarjolla tehokkaita AI-työkaluja sekä koneiden suunnittelijoille että niiden loppukäyttäjille.

Artikkelin kirjoittaja Cliff Ortmeyer vastaa Premier Farnellin ratkaisujen kehittämisestä. Ortmeyer tuli Farnellin palvelukseen vuonna 2011. Sitä ennen hän työskenteli STMicroelectronicsilla liiketoiminnan kehityksessä yli 13 vuotta. Ortmeyerillä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Iowa State Universitystä.

Transistorin kehittämisen jälkeen kesti vain vuosikymmenen ennen kuin elektroniikkateollisuus päätyi piihin ensisijaisena puolijohteiden substraattina. Vaikka piin ominaisuudet eivät ole ihanteellisia kaikkiin sovelluksiin, sen helppo saatavuus, helppo käsittely ja suorituskyky olivat riittävän helposti tehneet siitä perustan teollisuudelle, jonka vuosittainen myynti on nyt lähes puoli biljoonaa dollaria.

Vuosikymmenten aikana teollisuus on oppinut paljon piin kideominaisuuksista, joita on käytetty pitämään Mooren laki raiteilla. Esimerkiksi jännittämisestä tuli tärkeä osa transistorien kehitystä lähes 20 vuotta sitten. Siinä käytetään materiaalikerroksia paikallisesti vääristämään piikidehiloja tarkoituksena parantaa näiden kanavien läpi kulkevien sähköisten kantajien liikkuvuutta. Tämäntyyppinen kidetekniikka on auttanut teollisuutta tuomaan uudelleen käyttöön ei-pii- ja yhdistepuolijohteet, joita pidettiin liian vaikeina, kalliina tai hauraina käyttää huolimatta niiden paremmista sähköisistä ominaisuuksista.

Prosessit ja materiaalit ovat avainasemassa

Esimerkiksi galliumnitridiä (GaN) tutkittiin puolijohteiden materiaalina puoli vuosisataa sitten, mutta sillä valmistetut piirit vaativat ennen kalliiden ja hauraiden safiirialustojen käyttöä. Nykyään GaN-kalvoja voidaan kasvattaa luotettavasti ja ilman vikoja piikiekon pinnalla. Tämä on avannut oven kasvavalle valikoimalle korkean suorituskyvyn piirejä. Samoin valmistusprosessien parannukset ovat tehneet piiyhdisteistä, kuten piikarbidista (SiC) - joka on muuten melkein yhtä kovaa kuin timantti - käytännöllisiä valmistaa suurina volyymeinä.

Sekä GaN että SiC ovat puolijohteita, joissa valenssi- ja johtavuuskaistojen väli on kolme kertaa leveämpi kuin tavanomaisissa piisiruissa. Tämä ja muut näiden puolijohteiden ominaisuudet tekevät niistä erittäin sopivia suurtehokomponentteihin. Materiaalien kriittiset kenttäarvot ovat kymmenen kertaa korkeammat kuin tyypillisissä piikomponenteissa. Tuloksena on suurempi läpilyöntijännite, jota voidaan käyttää teholähteissä ja muissa piireissä käytettävien transistorien koon ja kustannusten pienentämiseen, joissa pitää ohjata korkeaa jännite- ja virtatasoa.

Korkean kriittisen kentän ja läpilyöntijännitteen ansiosta pystydiodin tai -transistorin drift- eli ajautumisvyöhyke voidaan tehdä paljon ohuemmaksi käyttämällä piikarbidia kuin piisirulla. Tämä ei johda vain päällekytkentäresistanssin pienenemiseen, mikä johtaa huomattavasti pienempiin tehohäviöihin, kun laite siirtää virtaa, vaan myös lyhyempään palautumisaikaan, koska esimerkiksi diodia käytettäessä on vähemmän tyhjennettäviä kantoaaltoja. Esimerkiksi WeEn Semiconductorsin valmistaman WNSC021200:n kaltaisen laitteen palautusvaraus on vain 10 nanocoulumbia, mikä on paljon pienempi kuin tyypillisillä PiN-diodeilla.

Koko ja liikkuvuus sovelluskehityksen avaimia

Transistorin pienempi koko puolestaan johtaa parasiittisten ilmiöiden, kuten hilan ja lähtökapasitanssin, vähenemiseen. Vaikutusten yhdistelmä johtaa korkeampiin taajuuksiin hakkuriteholähteissä ja vastaavissa piireissä. Esimerkiksi GaN-laitteet voivat tukea reilusti yli 1 megahertsin kytkentätaajuuksia. Näillä taajuuksilla on mahdollista käyttää myös pienempiä passiivisia komponentteja, joita yleensä käytetään kytkentätransienttien tasoittamiseen. Tuloksena on pienempi ja tehokkaampi virtalähde.

Power Integrationsin kaltaiset toimittajat ovat hyödyntäneet GaN:n ominaisuuksia rakentaessaan integroituja virtalähteen kytkinpiirejä. Esimerkiksi INN3276C-H204 on offline-flyback-kytkin, jossa on integroitu ensiöpuolen kytkin, joka sopii jatkuvan tehon akunlataussovelluksiin. Piiri tukee 35 W:n lähtötehoa. Muut yrityksen PowiGaN-perheen tuotteet voivat tukea jopa 100 watin tehoa ilman jäähdytyselementtiä.

Toinen GaN:n ominaisuus on sen luonnostaan suurempi varauksenkantajien liikkuvuus, joka on lähes 40 prosenttia suurempi kuin piin. Suuri liikkuvuus johtuu tavasta, jolla kaksiulotteinen elektronikaasu muodostuu komponenttien materiaalien rajapinnoille. Tämä on ominaista suuren elektronien liikkuvuuden transistoreille (HEMT) ja löytyy muista materiaaleista, kuten galliumarsenidista (GaAs). Tämä korkean liikkuvuuden ominaisuus on johtanut GaN-piirien käyttöön esimerkiksi tukiasemissa sekä tieteellisissä instrumenteissä. Nexperian piirit on suunniteltu nimenomaan tälle markkina-alueelle.

Mobiiliverkkojen RF-sovellusten lisäksi RF-suunnittelun ja virransyötön välissä on kasvava langattoman latauksen markkina. Esimerkiksi AirFuel-standardi vaatii 6,78 MHz:n lähetystaajuutta. Infineon Technologiesin CoolGaN-tehotransistorien kaltaiset piirit sopivat erittäin hyvin näissä sovelluksissa käytettyihin D- ja E-luokan vahvistintopologioihin.

Piikarbidin eli SiC:n kyky tukea piitä korkeampia kytkentätaajuuksia on johtanut siihen, että sitä käytetään korkeajännitteisissä lääketieteellisissä laitteissa kuten röntgenlaitteissa muiden tehonkäsittelysovellusten ohella. Lähes välitöntä kytkentää, jota tukevat ROHM:n SCT3-perheeseen kuuluvat SiC MOSFETit, täydentää xR-sarjassa modifioidun TO-247-kotelon nelinastainen konfiguraatio. Tätä käytetään komponenteissa, kuten SCT3060ARC14, joka on 39 ampeerin ja 650 voltin MOSFET, joka vähentää kytkentähäviöitä jopa 35 prosenttia verrattuna perinteisiin kolminastaisiin koteloihin. Hilaohjaimest erillisen lähdeohjainliitännän käyttö auttaa minimoimaan parasiittisen induktanssin, jota voidaan käyttää lisäämään piirin kytkentänopeutta.

Toinen näiden laajan kaistaeron puolijohteiden keskeinen etu on niiden kyky toimia kuumana, mikä kasvattaa koko- ja kustannusetua. Esimerkiksi transistorit eivät tarvitse suuria jäähdytyselementtejä lämmön haihduttamiseen, mitä pii-MOSFETit vaativat välttääkseen suuremmasta kytkentäresistanssista johtuvat häviöt korkeissa lämpötiloissa. SiC menee GaN-komponentteja pidemmälle tarjoamalla mahdollisuuden toimia olosuhteissa, joihin pii ei pysty. Tämä on tehnyt piikarbidista yhä suositumman valinnan auto-, sotilas- ja poraussovellusten piireissä. Ne voidaan asentaa lähelle moottorikammiota, jarrujen tai porapäiden viereen, ja ovat edelleen toimivia, vaikka lämpötila nousee 200 asteeseen. Näiden korkeampien lämpötilojen tukemiseksi nämä laitteet toimitetaan usein pelkkinä siruina integroitaviksi erityisiin korkean lämpötilan koteloihin. Kuitenkin monet yleisesti saatavilla olevista pakkauksista, kuten DPAK tai TO-247, joita valmistavat Genesic Semiconductor, Littelfuse, OnSemi ja muut, toimivat 175 °C:n liitoslämpötiloissa.

GaN- ja SiC-teknologioiden parhaat toteutukset

Laajan kaistaeron puolijohdemateriaalien mahdollistamat korkeat kytkentätaajuudet antavat suunnittelijoille mahdollisuuden hyödyntää uusia ohjausjärjestelmiä, kuten matriisimuunnos. Tämä käyttää avaruusvektorimodulaatiolaskelmia korkean suorituskyvyn AC-moottorinohjaukseen arkkitehtuurissa, jota voidaan käyttää useammissa tehonsyöttöjärjestelmissä vaihtoehtona tavanomaisempien topologioiden kytkentänopeuden lisäämiselle. Hilaohjainten suorituskyky on yhtä tärkeä kaikissa näissä nopeasti kytkevissa piiriarkkitehtuureissa. CoolGaN-sarjan tehokomponenttien ja CoolSiC-transistoreiden ja -diodien valmistuksen lisäksi Infineon on investoinut teknologioihin kuten EiceDriver. EiceDriver on porttiohjain, joka käyttää korkeatasoista yhteismuotoista (common-mode) hylkäämistä mahdollistaakseen eristämättömien topologioiden käytön monissa sovelluksissa. Tämä pienentää komponenttikustannuksia.

Älykkään ohjauksen tarve edistää pitkälle integroitujen tehokomponenttien kehitystä, joissa yhdistetään mikro-ohjaimet ja tehotransistorit SiP eli System-in-Package -koteloinnilla. STMicroelectronicsin STi2GaN-hankkeessa BCD:llä toteutetut GaN-tehoasteet, ohjauslogiikka sekä ohjain- ja eristyspiirit yhdistetään samalle SIP:lle. Näiden piirielementtien tiivis kytkentä auttaa työntämään virtalähdesuunnitteluja pidemmälle megahertsialueelle sekä vähentämään korttialaa, mikä on tulossa tärkeäksi ominaisuudeksi sähköautosuunnitteluissa, joissa monia elementtejä on koottava rinnakkain, sekä kuluttajalaitteiden akkulatureissa.

Kun alan ymmärrys laajan kaistaeron materiaaleista paranee, integrointi piipiirien kanssa vauhdittaa monia sovelluksia. On helppo ymmärtää, miksi ne syrjäyttävät monilla alueilla perinteisempiä piikomponentteja. Kokenut tekninen jakelija kuten Farnell voi opastaa insinöörejä siitä, missä GaN-, SiC- ja vastaavia teknologioita voidaan käyttää parhaalla mahdollisella tavalla ja miten laitevalmistajien etenemissuunnitelmat kehittyvät, jotta tekniikoita voidaan hyödyntää uusissa sovelluksissa.

MORE NEWS

Mullistavaa 5G-verkkojen PAAM-antennia demotaan Barcelonan mobiilimessuilla

Kyocera ja Rohde & Schwarz esittelevät uraauurtavan millimetriaaltotaajuuksia (mmWave) hyödyntävän vaiheistetun antennimoduulin (PAAM) Mobile World Congress 2025 -tapahtumassa Barcelonassa. Innovatiivinen teknologia mahdollistaa useiden erisuuntaisten ja eri taajuuksilla toimivien säteiden samanaikaisen luomisen, mikä mullistaa 5G FR2 -verkkoinfrastruktuurin tehokkuuden ja skaalautuvuuden.

Suomalaismalli osaa arvioida GenAI-mallien tuotoksia tehokkaasti

Suomalainen tekoälyteknologia ottaa harppauksen eteenpäin, kun Root Signals -yritys julkaisee uuden Root Judge -mallin, joka on suunniteltu arvioimaan suurten kielimallien (LLM) luotettavuutta ja laatua. Tämä avoimen lähdekoodin malli tuo tarkkuutta ja läpinäkyvyyttä generatiivisten AI-järjestelmien arviointiin ja optimointiin.

ST kiihdyttää optisia yhteyksiä datakeskuksiin

STMicroelectronics (ST) on julkistanut uuden sukupolven piifotoniikka- ja BiCMOS-teknologioita, jotka mahdollistavat entistä nopeammat ja energiatehokkaammat optiset yhteydet datakeskuksissa ja tekoälyklustereissa. Uudet ratkaisut tukevat 800 Gb/s ja 1,6 Tb/s siirtonopeuksia, joita ollaan tuomassa laajamittaiseen tuotantoon vuoden 2025 toisella puoliskolla.

Litium-nikkeliakkujen hajoamisen syy löytyi

Dallasin Texasin yliopiston (UTD) tutkijat ovat löytäneet syyn, miksi litium-nikkelioksidi (LiNiO₂) -akut menettävät kestävyyttään ja rappeutuvat toistuvien lataussyklien aikana. Löydös voi avata tietä pitkäikäisemmille ja tehokkaammille akuille, jotka voisivat parantaa esimerkiksi sähköautojen ja älylaitteiden suorituskykyä.

NAND-flashin nopeus kasvaa

KIOXIA ja Sandisk ovat julkistaneet uuden sukupolven 3D-flash-muistiteknologian, jossa NAND-liitäntänopeus nousee ennätykselliseen 4,8 gigabittiin sekunnissa (Gb/s). Tämä tarkoittaa 33 prosentin parannusta edelliseen, 8. sukupolven versioon verrattuna.

Microchip toi tekoälyassistentin mikro-ohjainkehitykseen

Microchip Technology on ottanut tekoälyn hyötykäyttöön auttaakseen ohjelmistokehittäjiä ja sulautettujen järjestelmien insinöörejä koodin kirjoittamisessa ja virheiden korjaamisessa. Yhtiö on julkaissut uuden MPLAB AI Coding Assistant -työkalun, joka on ilmainen Microsoft Visual Studio Code -laajennus.

RISC-V-läppärit tulevat tänä vuonna

Vuosi 2025 tuo mukanaan merkittävän muutoksen kannettavien tietokoneiden markkinoille: avoimen arkkitehtuurin RISC-V-läppärit saapuvat kuluttajille. RISC-V on avoimen lähdekoodin käskykanta-arkkitehtuuri, joka tarjoaa vaihtoehdon perinteisille x86- ja Arm-pohjaisille prosessoreille, mahdollistaen laitteistojen entistä suuremman räätälöinnin ja vapauden.

Edullisempaa datankeruuta ethernetin yli

Vanhan NI-tuotemerkin nykyään omistava Emerson on esitellyt uudet NI CompactDAQ -tuoteperheen laitteet, jotka tarjoavat aiempaa edullisemman ja joustavamman ratkaisun datankeruuseen ethernetin yli. CDAQ-9187- ja cDAQ-9183-laitteet sekä NI-9204-syöttömoduuli mahdollistavat kustannustehokkaan testauksen ilman, että suorituskyvystä joudutaan tinkimään.

Kosketusta ja tietoturvaa ultrapienellä virralla

Sulautettujen järjestelmien ja IoT-ratkaisujen kehittäjät vaativat yhä energiatehokkaampia ja turvallisempia ratkaisuja. Renesas Electronics vastaa tähän tarpeeseen tuomalla markkinoille uuden RA4L1-mikro-ohjainperheen, joka yhdistää ultra-alhaisen virrankulutuksen, kapasitiivisen kosketustuen ja vahvan tietoturvan. 

Maailman ohuin superkondensaattori

Sveitsiläinen teknologiayritys Schurter on julkaissut uuden sarjan prismoitettuja superkondensaattoreita. SCPA-malli on maailman ohuin superkondensaattori vain 0,4 mm paksuudellaan. Tämä tekee siitä ihanteellisen komponentin mobiililaitteisiin, puettaviin teknologioihin, IoT-antureihin ja keskeytymättömiin virtalähteisiin.

Tekoäly on riski radioverkkojen protokollille

Ruotsin puolustusvoimien tutkimuslaitos FOI on julkaissut raportin, joka paljastaa tekoälyn ja koneoppimisen (ML) tuomat uhat langattomille verkoille. Tutkimuksen mukaan tekoäly voi optimoida langattoman viestinnän tehokkuutta, mutta samalla se avaa uusia mahdollisuuksia vihamielisille hyökkäyksille, joita perinteiset kyberturvallisuuskeinot eivät välttämättä tunnista.

FakeUpdates jatkaa kyberuhkien kärjessä

Tietoturvayritys Check tammikuun haittaohjelmakatsauksen perusteella FakeUpdates on yhä merkittävä kyberuhka ja keskeinen väline kiristyshaittaohjelmahyökkäyksissä. Suomessa uhkalistan kärjessä on Windows-käyttöjärjestelmään kohdistuva infostealer eli tietovaras Formbook .

VTT sai rahaa sirukoteloiden kehittämiseen

Euroopan sirusäädöstä (European Chips Act) ohjaava Chips Joint Undertaking on myöntänyt rahoitusta APECS-pilottilinjahankkeelle, joka keskittyy uusien paketointi- ja integraatioratkaisujen kehittämiseen. APECS-pilottilinjalle EU ja Suomen hallitus ovat myöntäneet 29 miljoonan euron rahoituksen, joka kohdistetaan VTT:n yhteiskäyttöisten puhdastilojen ja puolijohdevalmistusprosessien kehittämiseen.

OnePlus Watch 3: paremmat mittaukset ja pidempi akunkesto

OnePlus esitteli eilen uuden Watch 3 -älykellonsa. Kellossa on Googlen uusi Wear OS 5 -käyttöjärjestelmä ja se tarjoaa yhden Android Wear -älykellojen pisimmistä akunkestoista: jopa 16 päivän akunkeston virransäästötilassa ja viiden päivän akunkeston normaalissa älytilassa.

IoT-anturien tehonsyöttö edullisesti hallintaan

Uudenlainen primääriakun, superkondensaattorin ja tehonhallinnan yhdistelmä parantaa älykkäiden IoT-anturiverkkojen luotettavuutta sekä pidentää akkujen vaihtoväliä. Tämä puolestaan vähentää laitetoimittajien ja operaattorien kustannuksia. Microchipin ratkaisu tarjoaa parhaan kompromissin kustannusten, koon ja suorituskyvyn välillä.

Neljä anturia valvoo ilmanlaatua yhdessä paketissa

Bosch Sensortec on julkaissut uuden BME690-anturin, joka on alan ensimmäinen 4-in-1 -tyyppinen MEMS-anturijärjestelmä sisäilman laadun valvontaan. Kompaktissa paketissa yhdistyvä anturi mittaa kaasujen pitoisuuksia, kosteutta, lämpötilaa ja ilmanpainetta. Edeltäjiin verrattuna integrointiasteen nostaminen leikkaa tehonkulutuksesta jopa 50 prosenttia.

Instan uusi salain ei vuoda dataa

Teknologiayhtiö Insta on esitellyt uuden korkean turvallisuusluokan salaustuotteen, Insta SafeLink Secret -salaimen, joka on suunniteltu erityisesti turvallisuusluokan II (SALAINEN) tiedonsiirron turvaamiseen. Tämä tekee Instasta ensimmäisen suomalaisen toimijan, joka tuo markkinoille näin korkean turvallisuusluokan salausratkaisun.

Juoksuaan parantava Bittium vaihtaa toimitusjohtajan

Teknologiapalveluita tarjoava Bittium Oyj on vahvassa kasvuvaiheessa ja vaihtaa samalla toimitusjohtajaa. Nykyinen toimitusjohtaja Johan Westermarck on irtisanoutunut tehtävästään, ja hänen seuraajakseen on nimitetty Petri Toljamo, joka aloittaa tehtävässään 1. huhtikuuta 2025.

6G-professori Matti Latva-aholle merkittävä tunnustus

Oulun yliopiston 6G-lippulaivaohjelman johtaja, professori Matti Latva-aho on saanut WWRF:n Fellow -tunnustuksen. Arvonimitys julkistetaan tänään Intian Hyderabadissa Wireless World Research Forum (WWRF) -tapahtumassa, jossa Latva-aho on pääpuhujana.

C++ nousee Javan ohi

Helmikuun ohjelmointiyhteisöindeksi paljastaa kasvavan trendin ohjelmistokehityksen maailmassa: nopeus on valttia. Kun laskentatehon tarve kasvaa ja laitteistokehitys ei pysy vauhdissa, tehokkaat ohjelmointikielet keräävät suosiota. Tämä näkyy myös kielten suosiota mittaavassa TIOBE-indeksissä.

IoT-anturien tehonsyöttö edullisesti hallintaan

Uudenlainen primääriakun, superkondensaattorin ja tehonhallinnan yhdistelmä parantaa älykkäiden IoT-anturiverkkojen luotettavuutta sekä pidentää akkujen vaihtoväliä. Tämä puolestaan vähentää laitetoimittajien ja operaattorien kustannuksia. Microchipin ratkaisu tarjoaa parhaan kompromissin kustannusten, koon ja suorituskyvyn välillä.

Lue lisää...

Ota nämä seikat huomioon, kun teet räätälöityjä laitteistoja

Markkinoilla on tarjolla suuri määrä valmiita laitteistoratkaisuja ja ohjelmistoalustoja. Kun valmiit ratkaisut eivät suoraan sovellu aiottuun käyttötarkoitukseen, tarvitaan usein asiakaskohtaisten laitteistojen ja ohjelmistojen suunnittelua. Tämä artikkeli käsittelee keskeisiä asioita, jotka on huomioitava tietotekniikkaa sisältävän tuotteen teknisen ratkaisun valinnassa ja suunnittelussa.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
  
R&S -koulutus: RF Mittaustekniikan 2-päiväinen koulutus (huom. maksullinen)
Vantaalla 12.-13.3.2025
Ilmoittautuminen: RF Mittaustekniikka - Rohde & Schwarz Finland Oy
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

ETNinsta

THIS SPACE TEMPORARILY LEFT BLANK
 
article