GaN氮化鎵是什么?

第一代半導(dǎo)體材料：主要指Si、Ge元素為主的半導(dǎo)體，它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽能電池的基礎(chǔ)材料。

第二代半導(dǎo)體材料：主要指砷化鎵、銻化銦等化合物半導(dǎo)體材料，砷化鎵擁有一些比硅更好的電子特性，可以用在高于250GHz的場合，并且砷化鎵比同樣的硅基器件更適合運(yùn)用在高功率的場合，可以運(yùn)用在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等地方。

第三代半導(dǎo)體材料：主要指氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)及金剛石等寬禁帶物質(zhì)。

禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力，跟前兩代相比，第三代半導(dǎo)體高近3倍，具有更強(qiáng)的耐高壓、高功率能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。在民用商業(yè)領(lǐng)域，氮化鎵(GaN)可用于基站、衛(wèi)星通信、有線電視、手機(jī)充電器等，而碳化硅(SiC)主要用于電動汽車、消費(fèi)電子、新能源、軌道交通等。

氮化鎵(GaN)技術(shù)自1990年起就常被用在發(fā)光二極管中，但成本昂貴。從制造工藝上來說，氮化鎵沒有液態(tài)，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應(yīng)合成。氮?dú)庑再|(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬，兩者反應(yīng)時(shí)間長，速度慢，反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物多。生產(chǎn)氮化鎵對設(shè)備要求苛刻，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)能低，眾多因素疊加影響導(dǎo)致氮化鎵材料很貴。

氮化鎵電源技術(shù)

開關(guān)電源的工作原理就是將交流電進(jìn)行濾波，之后將交流轉(zhuǎn)換為直流，再通過調(diào)整電流頻率等方式，將交流電變?yōu)橹绷麟姡麄€(gè)電路采用開關(guān)控制功率大小。將氮化鎵GaN用做開關(guān)與Mos管等功率器件，是電源的改進(jìn)點(diǎn)，可以使用體積更小的變壓器和電容等器件。

優(yōu)點(diǎn)：功率特性比硅高900倍。

特性：禁帶寬度(3倍)、飽和電子漂移速度(2倍)、電子遷移率(1.5倍)、擊穿場強(qiáng)(11倍)。

器件優(yōu)勢：耐高溫(>300℃)、開關(guān)快(20倍)、電阻低(1000倍)、耐高壓。

系統(tǒng)優(yōu)勢：易散熱、體積小、損耗小、功率大。

缺點(diǎn)：貴。

目前氮化鎵GaN的主流應(yīng)用是在手持類消費(fèi)類電子領(lǐng)域，在5G、汽車、工業(yè)、通信、光伏、智能化等眾多領(lǐng)域還有待挖掘。手機(jī)充電器因?yàn)橄蛑絹碓礁叩墓β拾l(fā)展，如果基于硅基材料，體積會做得很大。采用氮化鎵電源技術(shù)可以做得很小，并且多口充電，解決手機(jī)、筆記本電腦等多種設(shè)備的充電需求。

相比于Si MOSFET和IGBT器件，氮化鎵GaN器件的快速開關(guān)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻、較低的門極電容，這些特性可以實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)減少柵極驅(qū)動損耗。較低的單位輸出電容(典型的GaN 器件的單位輸出電荷為5nC-Ω，而傳統(tǒng)的Si器件為25nC-Ω)，這使設(shè)計(jì)人員能夠在不增加開關(guān)損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，從而縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量。更低的損耗等同于更高效的電源分布，減少了發(fā)熱并精簡了電源的冷卻方案。

從電路的本質(zhì)上說，要使用氮化鎵GaN 電源技術(shù)不是簡單的加減法，也不是換個(gè)器件。而是如何減少PCB設(shè)計(jì)尺寸，減少外圍電路元器件，降低設(shè)計(jì)難度。氮化鎵帶來了效率和密度的改變，器件設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也要一起變，控制IC、PCB走線，如何降低電磁干擾、紋波干擾等都需要調(diào)整。工程師對于氮化鎵GaN器件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，還需要經(jīng)驗(yàn)積累的過程。如何平衡工藝、成本、可靠性的關(guān)系，都需要電源企業(yè)進(jìn)一步探索和考量。

對于電源體積要求不高的，成本低、傳統(tǒng)成熟的工業(yè)制造可能更適合你。要做好一個(gè)理想的氮化鎵電源方案，除了功率器件做好，驅(qū)動控制IC的技術(shù)和電源方案也非常重要。氮化鎵方案相比硅基方案，需要解決如氮化鎵器件柵極耐壓、高頻所帶來的可靠性、EMI的問題。還要發(fā)揮氮化鎵在傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中充分實(shí)現(xiàn)效率高、體積小的特性。長遠(yuǎn)來看，氮化鎵GaN在電源等市場有著廣闊的前景。

審核編輯：湯梓紅?