GaN氮化鎵是什么?

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

第二代半導體材料：主要指砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料，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用在高功率的場合，可以運用在衛星通訊、雷達系統等地方。

第三代半導體材料：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。

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

氮化鎵(GaN)技術自1990年起就常被用在發光二極管中，但成本昂貴。從制造工藝上來說，氮化鎵沒有液態，不能使用單晶硅生產工藝的傳統直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應合成。氮氣性質非常穩定，鎵又是非常稀有的金屬，兩者反應時間長，速度慢，反應產生的副產物多。生產氮化鎵對設備要求苛刻，技術復雜，產能低，眾多因素疊加影響導致氮化鎵材料很貴。

氮化鎵電源技術

開關電源的工作原理就是將交流電進行濾波，之后將交流轉換為直流，再通過調整電流頻率等方式，將交流電變為直流電，整個電路采用開關控制功率大小。將氮化鎵GaN用做開關與Mos管等功率器件，是電源的改進點，可以使用體積更小的變壓器和電容等器件。

優點：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(11倍)。

器件優勢：耐高溫(>300℃)、開關快(20倍)、電阻低(1000倍)、耐高壓。

系統優勢：易散熱、體積小、損耗小、功率大。

缺點：貴。

目前氮化鎵GaN的主流應用是在手持類消費類電子領域，在5G、汽車、工業、通信、光伏、智能化等眾多領域還有待挖掘。手機充電器因為向著越來越高的功率發展，如果基于硅基材料，體積會做得很大。采用氮化鎵電源技術可以做得很小，并且多口充電，解決手機、筆記本電腦等多種設備的充電需求。

相比于Si MOSFET和IGBT器件，氮化鎵GaN器件的快速開關時間、低導通電阻、較低的門極電容，這些特性可以實現更快的導通和關斷，同時減少柵極驅動損耗。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，而傳統的Si器件為25nC-Ω)，這使設計人員能夠在不增加開關損耗的同時實現較高的開關頻率，從而縮小電源系統中磁性元件的尺寸、重量和數量。更低的損耗等同于更高效的電源分布，減少了發熱并精簡了電源的冷卻方案。

從電路的本質上說，要使用氮化鎵GaN 電源技術不是簡單的加減法，也不是換個器件。而是如何減少PCB設計尺寸，減少外圍電路元器件，降低設計難度。氮化鎵帶來了效率和密度的改變，器件設計的拓撲結構也要一起變，控制IC、PCB走線，如何降低電磁干擾、紋波干擾等都需要調整。工程師對于氮化鎵GaN器件的設計和調試，還需要經驗積累的過程。如何平衡工藝、成本、可靠性的關系，都需要電源企業進一步探索和考量。

對于電源體積要求不高的，成本低、傳統成熟的工業制造可能更適合你。要做好一個理想的氮化鎵電源方案，除了功率器件做好，驅動控制IC的技術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。還要發揮氮化鎵在傳統拓撲結構中充分實現效率高、體積小的特性。長遠來看，氮化鎵GaN在電源等市場有著廣闊的前景。

審核編輯：湯梓紅?