GaN如何改变半导体的未来？

GaN如何改变半导体的未来？

全球半导体短缺正在推迟从冰箱和微波炉到游戏机和智能手机的所有产品的生产。专家表示，该行业可能需要几个月的时间才能恢复，但实际上短缺正在永远改变消费电子产品。

该行业几十年来一直依赖硅，但芯片短缺正在帮助电子设备更环保、更高效、更小。越来越多的公司开始转向氮化镓 (GaN)，因为它比硅芯片更容易、更快地生产，还有其他好处。

TechRadar Pro采访了Navitas半导体公司的企业营销和投资者关系副总裁斯蒂芬·奥利弗，以了解短缺如何影响消费电子产品，并将行业从硅转移。Navitas为Anker、Aukey、Belkin、Dell、Hyper、联想、OPPO、RAVPower、Verizon等数十家公司提供GaN芯片。

Navitas 就 GaN 电源市场的一些行业趋势回答了这些问题：

什么是 GaN，为什么它如此重要？

氮化镓(GaN)由原子序数31的镓和原子序数7的氮结合而成，是一种具有坚硬的六角形晶体结构的宽带隙半导体材料。带隙是将电子从围绕原子核的轨道上释放出来所需的能量，在3.4 eV时，氮化镓的带隙是硅的三倍以上，因此被称为“宽”带隙或WBG。

由于带隙决定了材料可以承受的电场，氮化镓的更宽带隙使得能够开发具有非常短或窄耗尽区的半导体，从而产生具有非常高载流子密度的器件结构。通过更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，使速度提高了100倍。

最重要的是，GaN 技术可以以比传统硅小得多的尺寸处理更大的电场，同时提供显着更快的开关速度。此外，GaN 技术可以在比硅基技术更高的最高温度下运行。

GaN 的重要性与日俱增，因为它能够在广泛的应用中提供显着改进的性能，同时与传统的硅技术相比，它减少了提供该性能所需的能量和物理空间。在硅作为功率转换平台已达到其物理极限的某些应用中，氮化镓技术变得至关重要，而在其他应用中，效率、开关速度、尺寸和高温操作的优势结合在一起，使GaN越来越有吸引力。

随着全球能源需求的增加，转向GaN技术将有助于满足需求，同时将碳排放量保持在最低水平。事实上，氮化镓的设计和集成已被证明可以交付下一代功率半导体，其碳足迹比旧的、速度较慢的硅芯片低十倍。为了进一步支持氮化镓的情况，据估计，全球Si-to-GaN数据中心的升级将减少30-40%的能源损失，这意味着到2030年将节省超过100万亿瓦特的能源和1.25亿吨的二氧化碳排放。

镓是如何制成的？

镓在自然界中不以单质形式存在。它通常是铝土矿冶炼成铝和闪锌矿加工锌的副产品，因此提取和精炼的碳足迹非常低。

镓的价格是多少？

镓的年产量超过300吨，估计全世界的储量超过100万吨。由于它是一种加工副产品，成本相对较低，约300美元/公斤，比黄金(约6万美元/公斤)低200倍。

GaN在电子产品中的用途是什么？

氮化镓长期以来一直用于生产 LED 和射频元件，但现在正逐渐被越来越多的电源开关和转换应用所接受。在这里，基于 GaN 的 IC 可以满足提高系统性能和效率、节省空间并在更高温度下提供可靠运行的需求。

在手机和笔记本电脑中，GSM 和 Wi-Fi 信号使用 GaN RF 设备进行传输和接收，而为这些设备供电的充电器和适配器越来越多地采用 GaN。事实上，目前最大的功率 GaN 市场是移动快速充电，其中 GaN 功率 IC 可以使适配器的充电速度提高三倍，而适配器的尺寸和重量只有基于硅的慢速设计的一半。更重要的是，对于单输出充电器，GaN 零售推出价格约为之前同类最佳硅充电器的一半，而多输出充电器则低三倍。

氮化镓功率半导体也被部署在数据中心服务器上。随着数据中心流量的加速，硅高效处理电力的能力遇到了“物理材料”的障碍。因此，老式、缓慢的硅芯片被高速的氮化镓集成电路所取代。

数据中心硬件的整合、新的 HVDC 架构方法以及经过验证的量产、高度集成的 GaN 功率 IC 的可靠性能够显着提高效率。因此，部署 GaN 代表了数据中心行业朝着碳“净零”目标迈出的又一步。

在汽车行业，氮化镓正成为混合动力和电动汽车中功率转换和电池充电的首选技术。基于 GaN 的电源产品也越来越多地出现在太阳能装置使用的逆变器以及电机驱动和其他工业应用的电源转换方案中。

为什么 GaN 不受当前芯片短缺的影响？

硅是一种商品，因此制造商需要以高负载百分比、3 班制、24/7 全天候运行来赚钱，需要较长的交货时间和高资本支出来增加产能。硅芯片制造商很难启动和停止（由于 Covid 的不确定性），并且从任何停止中恢复的灵活性都非常有限

另一方面，GaN 的交货时间非常快，只需 12 周，备用产能迅速增加，而某些硅器件需要 52 周以上。GaN 的生产效率比硅更高，制造工艺更灵活，因此 GaN 不会像硅那样受到影响。

GaN会成为硅的替代品吗？

氮化镓 (GaN) 是一种“宽带隙”(WBG) 材料，带隙是将电子从围绕原子核的轨道释放并允许其自由穿过固体所需的能量。这反过来又决定了固体能够承受的电场。

硅 (Si) 的带隙为 1.1 eV，而 GaN 的带隙为 3.4 eV。由于 WBG 材料允许高电场，耗尽区可以非常短或窄，因此器件结构可以具有更高的载流子密度并且可以非常密集地封装。 

例如，一个典型的 650 V 横向 GaN 晶体管可以支持超过 800 V 并且具有 10-20 µm 或大约 40-80 V/µm 的漏极漂移区。这大大高于硅的理论极限，约为 20 V/µm。然而，它仍然远远低于约 300 V/µm 的带隙限制，为未来横向 GaN 器件的世代改进留下了很大的空间。

在器件级方面，从归一化导通电阻 (RDS(ON)) 和栅极电荷 (QG) 的乘积中得出的品质因数可能比硅好 5 倍到 20 倍，具体取决于实现方式。通过促进更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，并且开关速度快了一百倍。

为了充分利用 GaN 功率 IC 的能力，电路的其余部分也必须能够在更高的频率下有效运行。近年来，控制 IC 被引入以将开关频率从 65-100 kHz 提高到 1 MHz+，并且正在开发新的控制器。微控制器和数字信号处理器 (DSP) 也可用于实现当今的软开关电路拓扑，同时针对 1-2 MHz 范围优化的各种磁性材料现已上市。

GaN功率ic在半桥拓扑(如有源箝位反激式、图腾柱PFC和LLC)中结合了频率、密度和效率优势。通过从硬开关拓扑到软开关拓扑的改变，一次场效应晶体管的一般损耗方程可以最小化，从而在更高的频率下提高效率。

GaN 使用 250-350 nm CMOS 设备进行加工，用于功率处理的特征尺寸相对较大。CPU、GPU 使用约 1V 的硅，并使用低于 10 纳米的工艺设备来获得非常精细的特征尺寸以进行数字处理。因此，最佳的方法是使用 GaN 进行“功率转换”，使用硅进行“数据处理”。

GaN 的未来会怎样？

凭借创纪录的性能，氮化镓功率 IC 成为电力电子领域第二次革命的催化剂。氮化镓目前覆盖的器件电压范围为80-900V，正在进行的研究工作将其降低或提高。

是什么推动了充电容量的快速增长？ 

对于移动市场，在更大屏幕和更多特性和功能的推动下，电池尺寸 (mAhr) 在三年内增加了 10 倍，而用户希望在最短的时间内为设备充电。新型氮化镓 (GaN) 半导体技术是充电容量快速提升的基础，因为与传统硅技术相比，它们可以显着提高各种应用的性能，同时减少提供该性能所需的能量和物理空间。GaN IC 的运行速度比旧的慢速硅 (Si) 芯片快 20 倍，并且在尺寸和重量减半的情况下实现高达 3 倍的功率提升或 3 倍的充电速度。 

此外，全球需要更环保的能源。与硅系统相比，使用 GaN 功率 IC 的高效、高速应用更小、更轻、使用更少的材料和更少的能源。每个出厂的清洁、绿色 GaN 功率 IC 可节省 4 kg 二氧化碳。GaN 可以节省高达 2.6 吨/年的二氧化碳排放量——相当于 650 座燃煤发电站的排放量  

有人认为快速充电可能会损坏电池，如今这种说法有多正确？ 

通用串行总线供电 (USB-PD) 协议是充电器和被驱动设备（无论是手机、平板电脑、笔记本电脑还是耳塞式耳机）之间的通信和保护回路。例如，智能手机会告知充电器要提供多少功率和电压，这在电池技术的设计限制范围内是安全的。同时，石墨烯锂离子等新型电池技术可以实现更快的充电速度、低温运行和长寿命。例如，新的 Realme Neo GT 3 使用 150W 超快速充电器，只需 9 分钟即可为 4,500mAh 电池从 0-100% 供电，同时保持电池处于低温状态。充电协议还可以在电池电量耗尽/电量不足时启用高电流（充电速率），然后在电池接近充满电时降低电流。

我们能否看到这种技术出现在大容量电源仍然是常态的 PC 和笔记本电脑上？ 

当然，GaN 充电器已经进入笔记本电脑充电器，例如 LG gram、戴尔 Latitude、联想和 Yoga 笔记本电脑。例如，新的戴尔 60W 充电器是传统硅基充电器的“内置”可选升级。这款充电器的尺寸仅为 66 x 55 x 22 毫米（94 毫升），重量仅为 175 克，比上一代硅基充电器小 50%，轻 25%。还应注意，GaN 的“绿色”优势使 OEM 能够实现其“净零”目标——例如，基于 GaN 的 65W 适配器的二氧化碳排放量比传统硅低 30%。 

更快甚至准瞬时充电的极限在哪里，还有哪些障碍？ 

通用串行总线供电 (USB-PD) 协议具有扩展的功率范围，现在高达 240W，可实现互操作性，加快市场接受度。OPPO已经发布了一个功率高达 240W 的平台，因此“即时充电”智能手机可能即将问世。

会在某个时候把它推广到汽车上吗？或其他需要快速充电的产品？ 

毫无疑问，同样快 3 倍的充电速度可以应用于任何基于电池的应用——减少续航里程和充电时间焦虑。与传统的硅解决方案相比，基于 GaN 的车载充电器 (OBC) 估计充电速度快 3 倍，节能高达 70%。据估计，GaN OBC、DC-DC 转换器和牵引逆变器将扩大电动汽车的续航里程或将电池成本降低 5%，并将全球电动汽车的采用速度加快 3 年。将电动汽车升级到 GaN 可以在三年内推动全球电动汽车的采用，据估计，到 2050 年，道路部门的二氧化碳排放量每年将减少 20%，这是《巴黎协定》的目标。这对我们所有人来说都是一个关键领域。

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