射频技术研习社

射频原理

首页
  >  射频原理  >  正文  

不止于充电领域,氮化镓(GaN)拥有广阔天地(上)

图片来源:化合物半导体市场

半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。除了进一步发展在摩尔定律下的制造工艺外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。

GaN是一种新型的半导体材料,中文名为氮化镓,英文名称是 Gallium nitride。它是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(Direct Bandgap)的半导体,也是一种宽禁带半导体材料。与碳化硅(SiC)一起被成为“第三代半导体材料”,而第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景,成为全球半导体市场争夺的焦点。

01

为什么GaN技术得到了发展?

与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点:第一,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力,目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底;第二,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。

氮化镓(GaN)具有更高的击穿电压(使用GaN时大于200V),能够承受高的输入/输出错配(通常>15:1VSWR),具有更高的结温,平均无故障时间为一百万个小时。此外,它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。

相较于传统的硅基半导体,GaN能够提供显著的优势来支持功率应用,这些优势包括在更高功率获取更大的节能效益,以致寄生功耗大幅降低;GaN材料也容许更多精简元件的设计以支持更小的尺寸外观。这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。

根据Gartner绘制的GaN技术成熟度曲线,GaN目前处于技术成熟度曲线的第二个攀升阶段,也就是说它的热潮时间段已经过去,走出了泡沫化的低谷期,已经进入了稳步爬升的光明期,现在正是GaN产品和技术发展的良机。

GaN首先从上世纪90年代开始在LED领域大放异彩,自20世纪初以来,GaN功率器件已经逐步商业化。2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,自商用功率GaN器件首次发布以来,越来越多的企业进入该产业链。

02

GaN功率器件的优势

在功率器件中,相对于Si器件,GaN功率器件的性能具有明显优势。首先,其转换效率很高,GaN的禁带宽度是硅的三倍,临界击穿电场是硅的十倍,因此同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右,大大降低了开关的导通损耗。

另外,GaN功率器件工作频率很高,比硅器件高20倍左右。由于GaN可以工作在高频段,因此可以使得整个电路的开关工作频率从原来的50~60kHz,提高到200~500kHz及以上。工作频率高了后,就可以大幅缩小变压器等器件的体积,从而提高了产品的功率密度,让产品的体积可以做得更小,效率做得更高。同时,因为效率提高了,散热也更好处理,有些产品甚至都不需要加散热片了。

这些给GaN功率器件的发展创造了条件。相比硅在高于1200V的高电压、大功率具有优势,GaN制的产品更适合40~1200V的应用,特别是在600V/3KW能发挥最大优势,600/650V等级的GaN晶体管现在已经广泛使用。因此,在伺服器、马达驱动、UPS等领域,GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT的地位。

2016年氮化镓(GaN)功率元件产业规模约为1200万美元,研究机构Yole Développemen研究显示预计到2022年该市场将成长到4.6亿美元,年复合成长率高达79%。

拥有GaN功率器件或辅助元器件业务的公司几乎都享受着销售业绩每月增长的“甜蜜”,包括GaN Systems、Navitas Semiconductor、Texas Instruments(德州仪器)、Panasonic(松下)和On Semiconductor(安森美)等公司。

虽然GaN有着许多优势,但因为产品价格偏高,这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业,GaN零组件对其有极大的吸引力。若未来成本能再大幅下降,市场需求就会爆发。

GaN在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的技术优势。在600伏特左右电压下,其在芯片面积、电路效率和开关频率方面明显优于硅,这使电源产品更为轻薄、高效。并且,GaN充电器体积小、功率高、支持PD协议,有望在未来统一笔电和手机的充电器市场,市场前景广阔。Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3。5亿美元,年复合成长率达85%,当中,GaN快充是推动产业高成长的主要力量。

03

GaN或引发充电革命

随着GaN技术获得突破,成本得到控制,除了射频微波领域,它还被广泛应用到了消费类电子等领域,其中快速充电器便是一例。采用了GaN功率器件的充电器最直观的感受就是体积小、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了用户的使用体验。 

就整个消费电子行业的情况来看,GaN已经在全球主流的消费电子厂商中得到了关注和投入,GaN也正在伴随充电器快速爆发。今年一月,在美国举办的CES展会上,参展的GaN充电器已经多达66款,其中涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率以及全新品类超级扩展坞,满足手机、平板、笔电的全方位充电需求。综合性能和成本两个方面,GaN也有望在未来成为消费电子领域快充器件的主流选择。


澳客彩票开户 首存送彩金最多的网站 百家乐送彩金 澳客彩票 白菜送彩金38网站大全 送彩金500的网站大白菜不看id 澳客彩票 送彩金100可提款mg游戏 最新注册送彩金棋牌 捕鱼送彩金能提现的