先進(jìn)的半導(dǎo)體能否減少足夠的溫室氣體排放，從而在遏制氣候變化的斗爭(zhēng)中發(fā)揮作用？答案是肯定的。這樣的改變實(shí)際上正在有條不紊地進(jìn)行著。
從2001年左右開(kāi)始，化合物半導(dǎo)體氮化鎵引發(fā)了一場(chǎng)照明革命，從某些方面來(lái)看，這是人類(lèi)歷史上最快的技術(shù)變革。根據(jù)國(guó)際能源署的一項(xiàng)研究，在短短二十年內(nèi)，基于氮化鎵的發(fā)光二極管在全球照明市場(chǎng)中的份額已從零增長(zhǎng)到超過(guò)50%。研究公司 Mordor Intelligence 最近預(yù)測(cè)，在全球范圍內(nèi)，LED 照明將在未來(lái)七年內(nèi)將照明用電量減少30%至40%。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù) ，在全球范圍內(nèi)，照明約占用電量的20%和二氧化碳排放量的6% 。
每個(gè)晶圓都包含數(shù)百個(gè)最先進(jìn)的功率晶體管
這場(chǎng)革命遠(yuǎn)未結(jié)束。確實(shí)，它即將躍升至更高的層次。改變了照明行業(yè)的半導(dǎo)體技術(shù)氮化鎵 (GaN) 也是電力電子革命的一部分，這場(chǎng)革命正在蓄勢(shì)待發(fā)。因?yàn)榛衔锇雽?dǎo)體中的一種——碳化硅 (SiC)——已經(jīng)開(kāi)始在巨大而重要的電力電子領(lǐng)域取代硅基電子產(chǎn)品。
GaN和SiC器件比它們正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全世界有數(shù)以?xún)|計(jì)的此類(lèi)設(shè)備，其中許多每天運(yùn)行數(shù)小時(shí)，因此節(jié)省的能源將是巨大的。與GaN LED取代白熾燈和其他傳統(tǒng)照明相比，GaN和SiC電力電子產(chǎn)品的興起最終將對(duì)地球氣候產(chǎn)生更大的積極影響。
幾乎所有必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為直流電的地方，浪費(fèi)的功率都會(huì)減少。這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在手機(jī)或筆記本電腦的壁式充電器、為電動(dòng)汽車(chē)供電的更大的充電器和逆變器以及其他地方。隨著其他硅據(jù)點(diǎn)也落入新半導(dǎo)體，將會(huì)有類(lèi)似的節(jié)省。無(wú)線基站放大器是不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用之一，這些新興半導(dǎo)體在這些應(yīng)用中顯然具有優(yōu)勢(shì)。在減緩氣候變化的努力中，消除功耗浪費(fèi)是唾手可得的成果，而這些半導(dǎo)體正是我們收獲它的方式。
這是技術(shù)史上常見(jiàn)模式的新實(shí)例：兩項(xiàng)相互競(jìng)爭(zhēng)的創(chuàng)新同時(shí)取得成果。這一切將如何擺脫？SiC將在哪些應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而GaN將在哪些領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位？認(rèn)真審視這兩種半導(dǎo)體的相對(duì)優(yōu)勢(shì)可以為我們提供一些可靠的線索。
為什么電力轉(zhuǎn)換在氣候計(jì)算中很重要
在我們了解半導(dǎo)體本身之前，讓我們首先考慮一下我們?yōu)槭裁葱枰鼈?。首先：電源轉(zhuǎn)換無(wú)處不在。它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了為我們的智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和無(wú)數(shù)其他小工具供電的小型壁式充電器。
電力轉(zhuǎn)換是將電力從可用形式轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品執(zhí)行其功能所需形式的過(guò)程。在這種轉(zhuǎn)換中總會(huì)損失一些能量，并且由于其中一些產(chǎn)品持續(xù)運(yùn)行，因此可以節(jié)省大量能源。回想一下：盡管加州的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出猛增，但自1980年以來(lái)，該州的電力消耗基本持平。需求保持平穩(wěn)的最重要原因之一是冰箱和空調(diào)的效率在此期間大幅提高。這一改進(jìn)中最重要的一個(gè)因素是使用基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 和其他電力電子設(shè)備的變速驅(qū)動(dòng)器，從而大大提高了效率。
氮化鎵和碳化硅：它們的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域
在高壓功率晶體管市場(chǎng)，氮化鎵器件在400伏左右以下的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，而碳化硅現(xiàn)在在800伏及以上的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)（2000伏左右以上的市場(chǎng)相對(duì)較?。?。隨著GaN器件的改進(jìn)，400至1,000V之間的重要戰(zhàn)場(chǎng)格局將發(fā)生變化。例如，隨著1,200V GaN晶體管的推出（預(yù)計(jì)在2025年推出），電動(dòng)汽車(chē)逆變器這個(gè)最重要的市場(chǎng)將加入這場(chǎng)戰(zhàn)斗。
SiC和GaN將大大減少排放。根據(jù)2007年創(chuàng)立的GaN器件公司Transphorm對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅基于GaN的技術(shù)就可以在美國(guó)和印度減少超過(guò)10億噸的溫室氣體排放。數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際能源署、Statista 和其他來(lái)源。相同的分析表明可節(jié)省1,400太瓦時(shí)的能源，即兩國(guó)當(dāng)年預(yù)計(jì)能源消耗的10%至15%。
寬帶隙的優(yōu)勢(shì)
與普通晶體管一樣，功率晶體管可以充當(dāng)放大設(shè)備或開(kāi)關(guān)。放大作用的一個(gè)重要例子是無(wú)線基站，它放大信號(hào)以傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。在全世界，用于制造這些放大器中的晶體管的半導(dǎo)體正在從稱(chēng)為橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 的硅技術(shù)轉(zhuǎn)向 GaN。新技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，包括能效提高 10%或更多取決于頻率。另一方面，在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，晶體管充當(dāng)開(kāi)關(guān)而不是放大器。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)稱(chēng)為脈寬調(diào)制。例如，在常見(jiàn)類(lèi)型的電機(jī)控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的線圈。這些脈沖建立了一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與電機(jī)定子的磁場(chǎng)相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)的速度是通過(guò)改變脈沖的長(zhǎng)度來(lái)控制的：這些脈沖的圖形是一個(gè)方波，脈沖“開(kāi)”而不是“關(guān)”的時(shí)間越長(zhǎng)，電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速和扭矩就越大。功率晶體管完成開(kāi)關(guān)。
脈寬調(diào)制也用于開(kāi)關(guān)電源，這是最常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換示例之一。開(kāi)關(guān)電源是為幾乎所有以直流電運(yùn)行的個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備和電器供電的類(lèi)型?；旧希斎氲慕涣麟妷罕晦D(zhuǎn)換為直流，然后該直流被“斬波”為高頻交流方波。這種斬波是由功率晶體管完成的，它通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉直流電來(lái)產(chǎn)生方波。方波被施加到變壓器，變壓器改變波的幅度以產(chǎn)生所需的輸出電壓。為了獲得穩(wěn)定的直流輸出，來(lái)自變壓器的電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波。
這里的重點(diǎn)是，功率晶體管的特性幾乎完全決定了電路執(zhí)行脈寬調(diào)制的能力，因此也決定了控制器調(diào)節(jié)電壓的效率。理想的功率晶體管在處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)會(huì)完全阻斷電流，即使在施加的電壓很高時(shí)也是如此。這種特性稱(chēng)為高電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，它表示半導(dǎo)體能夠承受多大的電壓。另一方面，當(dāng)它處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，這種理想晶體管對(duì)電流的流動(dòng)阻力非常小。這一特征源于半導(dǎo)體晶格內(nèi)電荷（電子和空穴）的非常高的遷移率。將擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電荷遷移率視為功率半導(dǎo)體的陰陽(yáng)。
與它們所取代的硅半導(dǎo)體相比，GaN和SiC更接近這一理想狀態(tài)。首先，考慮擊穿場(chǎng)強(qiáng)。GaN和SiC都屬于寬帶隙半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的帶隙定義為半導(dǎo)體晶格中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，以電子伏特為單位。價(jià)帶中的電子參與晶格內(nèi)原子的鍵合，而導(dǎo)帶中的電子可以在晶格中自由移動(dòng)并導(dǎo)電。
在具有寬帶隙的半導(dǎo)體中，原子之間的鍵很強(qiáng)，因此材料通常能夠在鍵斷裂之前承受相對(duì)較高的電壓，據(jù)說(shuō)晶體管會(huì)損壞。與GaN的3.40eV相比，硅的帶隙為1.12電子伏特。對(duì)于最常見(jiàn)的SiC類(lèi)型，帶隙為3.26eV。[見(jiàn)下表，“Bandgap Menagerie”]
運(yùn)行速度和阻斷高壓的能力是功率晶體管的兩個(gè)最重要的特性。這兩種品質(zhì)又由用于制造晶體管的半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵物理參數(shù)決定。速度取決于半導(dǎo)體中電荷的遷移率和速度，而電壓阻斷則取決于材料的帶隙和電擊穿場(chǎng)。
現(xiàn)在讓我們看看遷移率，它以平方厘米/伏秒 (cm2/V·s)為單位。遷移率和電場(chǎng)的乘積產(chǎn)生電子的速度，速度越高，對(duì)于給定數(shù)量的移動(dòng)電荷，攜帶的電流就越大。對(duì)于硅，這個(gè)數(shù)字是1,450；對(duì)于SiC，它約為950；對(duì)于GaN，約為2,000。GaN異常高的價(jià)值是它不僅可以用于功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，還可以用于微波放大器的原因。GaN晶體管可以放大頻率高達(dá)100GHz 的信號(hào)——遠(yuǎn)高于通常被認(rèn)為是硅LDMOS最大值的3至4GHz。作為參考，5G 的毫米波頻率最高可達(dá)52.6GHz。這個(gè)最高5G頻段尚未廣泛使用，但是，高達(dá)75GHz的頻率正在部署在dish to dish通信中，研究人員現(xiàn)在正在使用高達(dá)140GHz 的頻率進(jìn)行室內(nèi)通信。對(duì)帶寬的需求是無(wú)法滿(mǎn)足的。
這些性能數(shù)據(jù)很重要，但它們并不是針對(duì)任何特定應(yīng)用比較 GaN 和 SiC 的唯一標(biāo)準(zhǔn)。其他關(guān)鍵因素包括設(shè)備及其集成系統(tǒng)的易用性和成本?？偠灾?，這些因素解釋了這些半導(dǎo)體中的每一種在何處以及為何開(kāi)始取代硅——以及它們未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)可能如何擺脫困境。
SiC 在當(dāng)今的功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域領(lǐng)先GaN
Cree（現(xiàn)為 Wolfspeed）于2011 年推出了第一個(gè)商業(yè)上可行的優(yōu)于硅的 SiC 晶體管。它可以阻擋 1,200 伏特，并且在傳導(dǎo)電流時(shí)具有80毫歐姆的相當(dāng)?shù)偷碾娮?。目前市?chǎng)上存在三種不同類(lèi)型的SiC晶體管。Rohm有一個(gè)溝槽MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）；Infineon Technologies、ON Semiconductor Corp.、STMicroelectronics、Wolfspeed等的 DMOS（雙擴(kuò)散MOS）；以及Qorvo的垂直結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
SiC MOSFET的一大優(yōu)勢(shì)是它們與傳統(tǒng)硅 MOSFET 的相似性——甚至封裝也是相同的。SiC MOSFET 的工作方式與普通硅 MOSFET 基本相同。有源極、柵極和漏極。當(dāng)器件開(kāi)啟時(shí)，電子從重?fù)诫s的 n型源流過(guò)輕摻雜的體區(qū)，然后通過(guò)導(dǎo)電基板“排出”。這種相似性意味著工程師轉(zhuǎn)向 SiC 的學(xué)習(xí)曲線很小。
與GaN相比，SiC具有其他優(yōu)勢(shì)。SiC MOSFET 本質(zhì)上是“fail-open”器件，這意味著如果控制電路因任何原因發(fā)生故障，晶體管將停止傳導(dǎo)電流。這是一個(gè)重要的特性，因?yàn)檫@個(gè)特性在很大程度上消除了故障可能導(dǎo)致短路和火災(zāi)或爆炸的可能性。（然而，為此功能付出的代價(jià)是較低的電子遷移率，這會(huì)增加設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的電阻。）
但是 GaN 正在獲得新關(guān)注
GaN帶來(lái)了自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該半導(dǎo)體于2000年首次在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。它是第一個(gè)能夠可靠地發(fā)出明亮的綠色、藍(lán)色、紫色和紫外光的半導(dǎo)體。但早在光電子學(xué)取得商業(yè)突破之前，研究人員就已經(jīng)證明了GaN在高功率電子領(lǐng)域的前景。GaN LED迅速流行起來(lái)，因?yàn)樗鼈兲钛a(bǔ)了高效照明的空白。但用于電子產(chǎn)品的GaN必須證明自己優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)：特別是英飛凌用于電力電子產(chǎn)品的硅CoolMOS晶體管，以及用于射頻電子產(chǎn)品的硅 LDMOS 和砷化鎵晶體管。
GaN的主要優(yōu)勢(shì)是其極高的電子遷移率。電流，電荷的流動(dòng)，等于電荷的濃度乘以它們的速度。因此，由于高濃度或高速度或兩者的某種組合，您可以獲得高電流。GaN晶體管是不尋常的，因?yàn)榱鬟^(guò)該器件的大部分電流是由于電子速度而不是電荷濃度。這在實(shí)踐中意味著，與Si或SiC相比，更少的電荷必須流入設(shè)備以將其打開(kāi)或關(guān)閉。這反過(guò)來(lái)又減少了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量并有助于提高效率。
兩種主要類(lèi)型的氮化鎵晶體管之一稱(chēng)為增強(qiáng)型器件。它使用一個(gè)工作在6伏左右的柵極控制電路來(lái)控制主開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)控制電路關(guān)閉時(shí)，它可以阻斷600伏或更高的電壓。當(dāng)器件開(kāi)啟時(shí)（當(dāng)柵極施加6V電壓時(shí)），電子在稱(chēng)為二維電子氣的平坦區(qū)域中從漏極流向源極。在這個(gè)區(qū)域，電子極易移動(dòng)——這是一個(gè)有助于實(shí)現(xiàn)非常高開(kāi)關(guān)速度的因素——并且被限制在氮化鋁鎵屏障之下。當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，柵極下方的區(qū)域會(huì)耗盡電子，從而斷開(kāi)柵極下方的電路并停止電流流動(dòng)。
同時(shí)，GaN的高電子遷移率允許開(kāi)關(guān)速度達(dá)到每納秒50伏。該特性意味著基于GaN晶體管的功率轉(zhuǎn)換器可以在數(shù)百千赫茲的頻率下高效運(yùn)行，而硅或SiC的功率轉(zhuǎn)換器的頻率約為100千赫茲。
總的來(lái)說(shuō)，高效率和高頻使得基于GaN器件的功率轉(zhuǎn)換器非常小和輕：高效率意味著更小的散熱器，而在高頻下運(yùn)行意味著電感器和電容器也可以非常小。
GaN半導(dǎo)體的一個(gè)缺點(diǎn)是它們還沒(méi)有可靠的絕緣體技術(shù)。這使故障安全設(shè)備的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。換句話說(shuō)，如果控制電路發(fā)生故障，則故障打開(kāi)。
有兩種選擇可以實(shí)現(xiàn)這種常閉特性。一種方法是為晶體管配備一種柵極，當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極時(shí)，該柵極會(huì)去除溝道中的電荷，并且僅在向該柵極施加正電壓時(shí)才傳導(dǎo)電流。這些稱(chēng)為增強(qiáng)模式設(shè)備。例如，它們由EPC、GaN Systems、Infineon、Innoscience和Navitas提供 。[參見(jiàn)插圖，“增強(qiáng)型-模式GaN晶體管”]
另一個(gè)選項(xiàng)稱(chēng)為共源共柵解決方案。它使用獨(dú)立的低損耗硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管為GaN晶體管提供故障安全功能。Power Integrations、Texas Instruments和Transphorm使用了這種共源共柵解決方案 。[參見(jiàn)插圖，“級(jí)聯(lián)耗盡型 GaN 晶體管”]
為了安全起見(jiàn)，當(dāng)功率晶體管的控制電路發(fā)生故障時(shí)，它必須失效進(jìn)入開(kāi)路狀態(tài)，沒(méi)有電流流動(dòng)。這對(duì)氮化鎵器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈υ诟邏鹤钄酄顟B(tài)和載流狀態(tài)下都可靠的柵極絕緣體材料。一種稱(chēng)為級(jí)聯(lián)耗盡模式的解決方案使用硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上的低電壓信號(hào)來(lái)控制氮化鎵高電子遷移率晶體管上的大得多的電壓 [右上]。如果控制電路出現(xiàn)故障，F(xiàn)ET柵極上的電壓將降至零，并且停止傳導(dǎo)電流 [左上圖]。隨著FET不再傳導(dǎo)電流，氮化鎵晶體管也停止傳導(dǎo)，因?yàn)榻M合器件的漏極和源極之間不再存在閉合電路。
如果不考慮成本，任何半導(dǎo)體比較都是不完整的。一個(gè)粗略的經(jīng)驗(yàn)法則是——die尺寸越小意味著成本越低，die尺寸是包含器件的集成電路的物理面積。
SiC器件現(xiàn)在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而，SiC的襯底和制造成本高于GaN，而且一般來(lái)說(shuō)，5千瓦及更高功率應(yīng)用的最終器件成本如今相差無(wú)幾。不過(guò)，未來(lái)的趨勢(shì)可能有利于GaN。我的這種信念是基于GaN器件的相對(duì)簡(jiǎn)單性，這意味著生產(chǎn)成本低到足以克服更大的裸片尺寸。
也就是說(shuō)，要使GaN適用于許多也需要高電壓的大功率應(yīng)用，它必須具有額定電壓為1,200V的經(jīng)濟(jì)高效的高性能器件。畢竟，在該電壓下已經(jīng)有可用的SiC晶體管。目前，最接近商用的GaN晶體管的額定電壓為900V。最近,Transphorm還展示了在藍(lán)寶石襯底上制造的1,200-V器件，其電氣和熱性能均與SiC器件相當(dāng)。
研究公司Omdia對(duì)1,200-V SiC MOSFET的預(yù)測(cè)顯示2025年的價(jià)格為每安培16美分。據(jù)筆者估計(jì)，由于GaN襯底的成本較低，2025年第一代1,200-V GaN晶體管的價(jià)格將低于他們的SiC同行。當(dāng)然，這只是我的意見(jiàn)；我們都確切地知道這將在幾年內(nèi)發(fā)生什么變化。
GaN 與 SiC的競(jìng)爭(zhēng)
考慮到這些相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，讓我們逐一考慮各個(gè)應(yīng)用程序，并闡明事情可能如何發(fā)展。
電動(dòng)汽車(chē)逆變器和轉(zhuǎn)換器
特斯拉在2017年為其Model 3的車(chē)載或牽引逆變器采用SiC，這是該半導(dǎo)體的早期重大勝利。在電動(dòng)汽車(chē)中，牽引逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。逆變器還通過(guò)改變交流電的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度。據(jù)新聞報(bào)道，如今，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors也在其逆變器中使用SiC，其他電動(dòng)汽車(chē)制造商也計(jì)劃在即將推出的車(chē)型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供應(yīng)。EV牽引逆變器的功率范圍通常從小型EV的約35kW到100kW到大型車(chē)輛的約400kW。
然而，將這場(chǎng)競(jìng)賽稱(chēng)為SiC還為時(shí)過(guò)早。正如我所指出的，要打入這個(gè)市場(chǎng)，GaN供應(yīng)商必須提供1,200-V的器件。電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)現(xiàn)在通常僅在400伏電壓下運(yùn)行，但保時(shí)捷Taycan擁有800伏系統(tǒng)，奧迪、現(xiàn)代和起亞的電動(dòng)汽車(chē)也是如此。預(yù)計(jì)其他汽車(chē)制造商將在未來(lái)幾年效仿。（Lucid Air有一個(gè) 900-V系統(tǒng)。）我希望在2025年看到第一個(gè)商用1,200-V GaN晶體管。這些設(shè)備不僅將用于車(chē)輛，還將用于高速公共EV充電器。
GaN可能實(shí)現(xiàn)的更高開(kāi)關(guān)速度將成為EV逆變器的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些開(kāi)關(guān)采用了所謂的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。在這里，提高性能的方法是非?？焖俚貜拇蜷_(kāi)切換到關(guān)閉，以最大限度地減少設(shè)備保持高電壓 和通過(guò)高電流的時(shí)間。
除逆變器外，電動(dòng)汽車(chē)通常還配備車(chē)載充電器，可通過(guò)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，利用壁（市電）電流為車(chē)輛充電。在這里，GaN再次非常有吸引力，原因與使其成為逆變器的理想選擇的原因相同。
電網(wǎng)應(yīng)用
至少在未來(lái)十年內(nèi)，用于額定電壓為3kV或更高的設(shè)備的超高壓電源轉(zhuǎn)換仍將是SiC的領(lǐng)域。這些應(yīng)用包括有助于穩(wěn)定電網(wǎng)、將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并在傳輸級(jí)電壓下再次轉(zhuǎn)換回來(lái)的系統(tǒng)，以及其他用途。
手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器
從2019年開(kāi)始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開(kāi)始銷(xiāo)售基于GaN的壁式充電器。
GaN的高開(kāi)關(guān)速度及其普遍較低的成本使其成為低功率市場(chǎng)（25至500W）的主導(dǎo)者，在這些市場(chǎng)中，這些因素以及小尺寸和穩(wěn)健的供應(yīng)鏈至關(guān)重要。這些早期的GaN功率轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)300kHz的開(kāi)關(guān)頻率和超過(guò)92%的效率。他們創(chuàng)造了功率密度記錄，數(shù)字高達(dá)每立方英寸30W（1.83W/cmm3）——大約是他們正在更換的硅基充電器密度的兩倍。
自動(dòng)化探針系統(tǒng)施加高壓以對(duì)晶圓上的功率晶體管進(jìn)行壓力測(cè)試。
自動(dòng)化系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)測(cè)試大約500個(gè)裸片中的每一個(gè)。
太陽(yáng)能微型逆變器
近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電在電網(wǎng)規(guī)模和分布式（家庭）應(yīng)用中都取得了成功。對(duì)于每個(gè)安裝，都需要一個(gè)逆變器將太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為家庭供電或?qū)㈦娔茚尫诺诫娋W(wǎng)。今天，電網(wǎng)規(guī)模的光伏逆變器是硅 IGBT和SiC MOSFET的領(lǐng)域。但GaN將開(kāi)始進(jìn)軍分布式太陽(yáng)能市場(chǎng)，尤其是。
傳統(tǒng)上，在這些分布式安裝中，所有太陽(yáng)能電池板都有一個(gè)逆變器箱。但越來(lái)越多的安裝人員更喜歡這樣的系統(tǒng)，其中每個(gè)面板都有一個(gè)單獨(dú)的微型逆變器，并且在為房屋供電或?yàn)殡娋W(wǎng)供電之前將交流電組合起來(lái)。這樣的設(shè)置意味著系統(tǒng)可以監(jiān)控每個(gè)面板的操作，以?xún)?yōu)化整個(gè)陣列的性能。
微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。再加上電池，他們創(chuàng)造了一個(gè)不間斷的電源，以防止停電。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，調(diào)整電源的交流波形以提高效率并消除可能損壞設(shè)備的特性。對(duì)于這些，GaN提供了一種低損耗且經(jīng)濟(jì)的解決方案，正在慢慢取代硅。
5G和6G基站
GaN的卓越速度和高功率密度將使其能夠贏得并最終主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是5G和6G無(wú)線以及商業(yè)和軍用雷達(dá)。這里的主要競(jìng)爭(zhēng)是硅LDMOS器件陣列，它們更便宜但性能較低。事實(shí)上，GaN在4GHz及以上的頻率上沒(méi)有真正的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
對(duì)于5G和6G無(wú)線，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因?yàn)樗鼪Q定了硬件可以有效傳輸多少信息。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1GHz的帶寬，可實(shí)現(xiàn)超快的視頻和其他應(yīng)用。
使用絕緣體上硅技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種使用高頻硅器件的5G+解決方案，其中每個(gè)器件的低輸出功率都通過(guò)大量陣列來(lái)克服。GaN和硅將在這個(gè)領(lǐng)域共存一段時(shí)間。特定應(yīng)用程序的贏家將取決于系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能之間的權(quán)衡。
雷達(dá)
美國(guó)軍方正在部署許多基于GaN電子設(shè)備的地面雷達(dá)系統(tǒng)。其中包括由 Northrup-Grumman 為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)建造的地面/空中任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)和有源電子掃描陣列雷達(dá)。雷神公司的SPY6雷達(dá)已交付給美國(guó)海軍，并于2022年12月進(jìn)行了首次海上測(cè)試。該系統(tǒng)大大擴(kuò)展了艦載雷達(dá)的范圍和靈敏度。
寬帶隙之戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始
如今，SiC在EV逆變器中占據(jù)主導(dǎo)地位，而且通常在電壓阻斷能力和功率處理能力至關(guān)重要且頻率較低的地方。GaN是高頻性能至關(guān)重要的首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，例如墻上插頭適配器、微型逆變器和電源。
但GaN和SiC之間的拉鋸戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始。無(wú)論競(jìng)爭(zhēng)如何，一個(gè)應(yīng)用一個(gè)應(yīng)用，一個(gè)市場(chǎng)一個(gè)市場(chǎng)，我們可以肯定地說(shuō)，地球環(huán)境將成為贏家。隨著這一技術(shù)更新和復(fù)興的新周期勢(shì)不可擋地向前發(fā)展，未來(lái)幾年將避免數(shù)十億噸溫室氣體排放。 （文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察）
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