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对于 GaN,中文名氮化镓,我们实在是听得太多了。

这要从近两年充电器上的疯狂内卷开始说起。好像从某个时间点开始,一夜之间,GaN 就如雨后春笋般出现在了充电行业。然后随之而来的,就是我们憧憬已久的幻想开始实现:快速充电,更快速充电。

到 2022 年的今天,功率甚至已经在突破 200 这个数字上初现端倪。这是第三代半导体材料的胜利,也是移动端充电行业的狂欢。但对于 GaN,很多人只是有个模糊的概念,对于它实现「小体积大功率」背后的原理、以及为何能改变多行业格局其实并不清楚。今天就让我们带着这些问题去一探究竟。

什么是 GaN 氮化镓?

——从分子结构看,科学解释:

GaN:由镓(原子序数 31) 和氮(原子序数 7) 结合而来的化合物。它是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。

禁带:是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量,GaN 的禁带宽度为 3.4eV,是硅的 3 倍多,所以说 GaN 拥有宽禁带特性(WBG)。禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场。GaN 比传统硅材料更大的禁带宽度,使它具有非常细窄的耗尽区,从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构,而载流子浓度直接决定了半导体的导电能力。

为什么 GaN 这么受欢迎?

要回答这个问题,我们就要先回答:

GaN 有何优势?

由于 GaN 具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势,GaN 充电器的运行速度,比传统硅器件要快 100 倍。GaN 在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率,GaN 材料的这一特性令其在充电器行业大放异彩。

更重要的是,GaN 相比传统的硅,可以在更小的器件空间内处理更大的电场,同时提供更快的开关速度。此外,氮化镓比硅基半导体器件,可以在更高的温度下工作。

说人话就是:基于 GaN 功率芯片的充电器充电速度比传统硅充电器快高三倍,但尺寸和重量,甚至只有后者的一半。同时还有耐高温、低损耗等特点。

这就是为什么我们现在看到的充电器能够轻松达到 65W、100W,但同时它们的体积却并不大的原因 ,至少这在以往是难以想象的。

GaN 的优势能够带来什么?

我们把这种材料技术带来的优势分成两个层面解读:产品与行业。

对产品:在电力电子领域,基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出,以及更高的能量转换效率。除此之外可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子装置的体积和重量,从而极大降低系统制作及生产成本。

对行业:相关数据表明,在低压市场,GaN 的应用潜力甚至可以占据到整个功率市场约 68% 的比重。

另一点可能是你比较意外的,那就是 GaN 技术还可以有效降低碳排放。其碳足迹比传统的硅基器件要低 10 倍。据估计,如果全球采用硅芯片器件的数据中心,都升级为使用 GaN功率芯片器件,那全球的数据中心将减少 30-40% 的能源浪费。这相当于节省了 100 兆瓦时太阳能和 1.25 亿吨二氧化碳排放量。因此 GaN 的吸引力不仅仅在于性能和系统层面的能源利用率的提高。

为什么比 Si 好?

半导体发展史:硅作为第一代「半导体材料」的典型代表,其技术与应用发展到如今已经是炉火纯青,甚至于,目前全球 95% 以上的半导体芯片和器件都是用硅片作为基础功能材料而生产出来。

但我们需要知道,任何材料其性能和效率都存在一个理论极限,随着硅材料技术的日臻佳境的发展,硅在光电子领域和高频高功率器件方面的诸多限制也开始体现出来。

也就是说,硅的性能已经开始跟不上各种应用场景的需求了。根本原因就在于硅本身的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低。当材料技术的发展遭遇瓶颈,那么我们必将寻求新的代替者,获得更加优秀的解决方案。在这条关于更高性能的探索路上就开始了。

第一代:元素半导体

典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟,应用也较广,一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。以硅材料为代表的第一代半导体材料,它取代了笨重的电子管,导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个 IT 产业的飞跃,广泛应用于信息处理和自动控制等领域。

第二代:化合物半导体

20 世纪 90 年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓( GaAs )、磷化铟( InP )为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP 等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS 导航等领域。但是 GaAs、InP 材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,污染环境,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

第三代:宽禁带半导体

第三代半导体包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。它们的禁带宽度在 2.3eV 以上,其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化镓为代表。与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质,翻译下来就是:高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强。凭借极优越的性能和巨大的市场前景,第三代半导体材料正在成为全球半导体市场争夺的焦点。

* GaN

* SiC

宽禁带材料「双子星」——不得不说的 SiC

目前来看,SiC 和 GaN 的技术研究进展较快,并且已经开始有了广泛应用。SiC 与 GaN 相比较,前者相对 GaN 发展更早一些,技术成熟度也更高一些。SiC 禁带宽度为 3.23ev,GaN 禁带宽度为 3.4ev。

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面:

  • 降低电能转换过程中的能量损耗
  • 更容易实现小型化
  • 更耐高温高压

据了解,SiC 功率器件的能量损耗只有 Si 器件的 50%,发热量只有 Si 器件的 50%,且有更高的电流密度。在相同功率等级下,SiC 功率模块的体积显著小于 Si 功率模块。

听上去是不是和 GaN 很像?没错,这是两者材料特性决定的,在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表现。

* Si、GaN、SiC 应用区间对比

为什么我们的充电器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢?

两者有一个很大的区别是热导率。这使得在高功率高温等极限场景应用中,SiC 占据统治地位;而 GaN 具有更高的电子迁移率,因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度,在高频率应用领域,GaN 具备优势。简单来说就是,SiC 如果用在我们日常的手机充电器上,其实有点大材小用,这其中也牵扯到成本的问题,综合下来其实 GaN 更为合适。

SiC 的主要应用场景

SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料,在热、化学、机械方面都非常稳定,这使得它可以被用在非常极端的环境条件下。针对于 SiC,微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。在电力电子领域,SiC 应用市场最大的驱动力,可能来自于新能源汽车。事实上 SiC 已经被应用的典型市场包括:轨交、功率因数校正电源(PFC)、风电(wind)、光伏(PV)、新能源汽车(EV/HEV)、充电桩、不间断电源(UPS)等。

SiC 器件如何提升电动汽车的系统效率

新能源车的功率控制单元(PCU)是汽车电驱系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成,强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失,同时也可以大幅降低器件尺寸,车身可以设计得更为紧凑。

所以 SiC 和 GaN 在很多关键特性上看上去像是「两兄弟」,但其实目前它们正在各自擅长的领域发着不同的光。GaN 有着更强的成本控制,SiC 则能够胜任更极限的环境条件。

来源:DT新材料


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