Все началось с сумасшедшего роста числа зарядных устройств в последние четыре года. Кажется, что с определенного момента времени, в одночасье, GaN появился в зарядной индустрии как пружина.
А вместе с ним начала сбываться долгожданная фантазия: быстрая зарядка и еще более быстрая зарядка.
Это победа для полупроводниковых материалов третьего поколения и открытие для индустрии зарядки мобильных устройств.
Однако многие люди имеют лишь смутное представление о GaN и не совсем понимают, что стоит за его «малым размером и высокой мощностью» и почему он может изменить ландшафт множества отраслей.
Это также является основной темой данной статьи, и сегодня давайте разберемся в этих вопросах.
Что такое нитрид галлия GaN?
Молекулярная структура
GaN: Соединение, полученное путем соединения галлия (атомный номер 31) и азота (атомный номер 7). Это широкополосный полупроводниковый материал со стабильной гексагональной кристаллической структурой.
Запрещенная зона:
Это энергия, необходимая электрону для отрыва от орбитали ядра атома. Ширина запрещенной зоны GaN составляет 3,4 эВ, что более чем в три раза больше, чем у кремния, поэтому говорят, что GaN обладает широкополосными характеристиками (WBG).
Запрещенная полоса определяет электрическое поле, которое может выдержать материал.
Большая запрещенная зона пропускания GaN по сравнению с обычными кремниевыми материалами обеспечивает ему очень тонкую и узкую область обеднения, что позволяет создавать структуры устройств с очень высокой концентрацией носителей, которая напрямую определяет проводимость полупроводника.
Почему GaN так популярен?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала ответить на вопрос:
В чем преимущества GaN?
Зарядные устройства на основе GaN работают в 100 раз быстрее обычных кремниевых устройств благодаря преимуществам меньших транзисторов, более коротких токовых путей, сверхнизкого сопротивления и емкости.
Главными достоинствами GaN в силовой электронике являются высокая эффективность, низкие потери и высокая частота - характеристики, благодаря которым GaN-материалы занимают ведущее место в зарядной промышленности.
Более того, GaN может выдерживать большие электрические поля в меньшем пространстве устройства, чем обычный кремний, обеспечивая при этом более высокую скорость переключения.
Кроме того, GaN может работать при более высоких температурах, чем полупроводниковые приборы на основе кремния.
Если говорить человеческим языком, то это так:
Зарядные устройства на основе силовых чипов GaN могут заряжать аккумуляторы в три раза быстрее, чем обычные кремниевые зарядные устройства, но при этом их размеры и вес даже вдвое меньше. Кроме того, они обладают такими характеристиками, как высокая термостойкость и низкие потери.
Поэтому сейчас мы видим зарядные устройства, мощность которых может достигать 65 и 100 Вт, но в то же время они не очень большие, по крайней мере, не такие, как можно было представить раньше.
В чем преимущества GaN?
Мы рассматриваем преимущества этой материальной технологии на двух уровнях: продуктовом и промышленном.
Для продуктов:
В области силовой электроники силовые устройства на основе материалов GaN имеют более высокую выходную плотность мощности и более высокую эффективность преобразования энергии.
Кроме того, они могут сделать систему миниатюрной и легкой, эффективно уменьшая размер и вес силовых электронных устройств, что значительно сокращает производство системы и производственные затраты.
Для промышленности:
Данные свидетельствуют о том, что на рынке низковольтного оборудования потенциал применения GaN может составить около 68 процентов всего рынка электроэнергии.
Еще один момент, который может вас удивить, - технология GaN также может эффективно сокращать выбросы углекислого газа. Ее углеродный след в 10 раз меньше, чем у традиционных устройств на основе кремния.
По оценкам специалистов, если центры обработки данных по всему миру, использующие кремниевые чипы, перейдут на чипы GaN, центры обработки данных по всему миру будут тратить на 30-40 % меньше энергии.
Это эквивалентно экономии 100 МВт-ч солнечной энергии и 125 млн тонн выбросов CO2.
Поэтому привлекательность GaN заключается не только в производительности и улучшенном использовании энергии на системном уровне.
Почему он лучше, чем Si?
История развития полупроводников
Как типичный представитель первого поколения «полупроводниковых материалов», технология и применение кремния были разработаны до такой степени, что более 95% мировых полупроводниковых чипов и устройств производятся с использованием кремния в качестве основного функционального материала.
Однако нужно знать, что у любой производительности и эффективности материала есть теоретический предел, с развитием технологии кремниевых материалов становится все лучше и лучше, кремний в области оптоэлектроники и высокочастотных мощных устройств во многих из ограничений также начал отражаться.
Другими словами, характеристики кремния стали не соответствовать требованиям различных сценариев применения. Основная причина заключается в том, что кремний сам по себе имеет более узкую полосовую щель, меньшую подвижность электронов и более низкое электрическое поле пробоя.
Когда развитие материальных технологий наталкивается на узкое место, мы вынуждены искать новые заменители и находить еще более совершенные решения. На этом пути открытий начинаются более высокие показатели производительности
Первое поколение полупроводниковых материалов, представленное кремниевыми материалами, которые пришли на смену громоздким электронным лампам, привело к развитию микроэлектронной промышленности с интегральными схемами в качестве ядра и скачку всей IT-индустрии, которая широко используется в областях обработки информации и автоматического управления.
Второе поколение: составные полупроводники
Начиная с 1990-х годов, с бурным развитием мобильной связи, оптоволоконных коммуникаций на основе информационных супермагистралей и подъемом Интернета, арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) начали появляться? как представители второго поколения полупроводниковых материалов.
GaAs, InP и другие материалы для производства высокоскоростных, высокочастотных, мощных и светоизлучающих электронных устройств, это производство высокопроизводительных микроволновых, миллиметроволновых устройств и светоизлучающих устройств из отличных материалов, широко используемых в спутниковой связи, мобильной связи, оптической связи, GPS-навигации и других областях.
Однако материалы GaAs и InP дефицитны, дороги и токсичны, загрязняют окружающую среду, поэтому применение полупроводниковых материалов второго поколения сильно ограничено.
Третье поколение: широкополосные полупроводники
К третьему поколению полупроводников относятся карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), нитрид алюминия (ALN), оксид галлия (Ga2O3) и так далее.
Ширина их запрещенной зоны составляет 2,3 эВ и более, среди которых карбид кремния SiC и нитрид галлия GaN являются представителями.
- GaN
- SiC
По сравнению с первыми двумя поколениями полупроводниковых материалов, третье поколение полупроводниковых материалов имеет большую ширину запрещенной зоны, высокое электрическое поле пробоя, высокую теплопроводность, высокую скорость насыщения электронов, радиационную стойкость и другие превосходные свойства, что приводит к:
Высокая частота, высокая эффективность, высокая мощность, высокое сопротивление напряжению, высокая термостойкость и сильная радиационная стойкость.
Благодаря отличным характеристикам и огромным рыночным перспективам, третье поколение полупроводниковых материалов становится центром глобальной конкуренции на рынке полупроводников.
Широкополосные материалы "Близнецы"
SiC, о котором необходимо сказать
В настоящее время технологии SiC и GaN развиваются быстрее и уже начали широко использоваться, причем по сравнению с GaN SiC был разработан раньше, и его технология более зрелая, чем у GaN.
Запрещенная полоса пропускания SiC составляет 3,23ev, а GaN - 3,4ev.
Преимущества SiC-устройств перед Si-устройствами состоят в трех аспектах:
- Уменьшение потерь энергии при преобразовании энергии.
- Более легкая миниатюризация
- Большая устойчивость к высоким температурам и давлению.
Известно, что силовые устройства SiC имеют на 50% меньше потерь энергии и на 50% меньше тепловыделения, чем устройства Si, и обладают более высокой плотностью тока.
При одинаковой мощности силовые модули SiC значительно меньше силовых модулей Si.
Не правда ли, очень похоже на GaN?
Да, это зависит от свойств материала, и во многих отношениях SiC и GaN ведут себя очень похоже.
Почему мы используем GaN, а не SiC в наших зарядных устройствах?
Одно большое различие между ними - теплопроводность.
Это позволяет SiC доминировать в экстремальных сценариях, таких как высокая мощность и высокая температура, в то время как GaN обладает более высокой подвижностью электронов, а значит, может иметь более высокую скорость переключения, чем SiC или Si, что дает GaN преимущество в высокочастотных приложениях.
Проще говоря, SiC, если использовать его в нашем ежедневном зарядном устройстве для мобильного телефона, на самом деле немного перебор, что также приведет к повышению цены, на самом деле GaN подходит больше.
Так каковы же основные области применения SiC?
SiC - это полупроводниковый материал, состоящий из кремния и углерода, обладающий термической, химической и механической стабильностью, что позволяет использовать его в экстремальных условиях окружающей среды.
Сценарии применения SiC
Для SiC рынки микроволновых, высокочастотных и коротковолновых устройств являются уже зрелыми.
В области силовой электроники наибольшим драйвером рынка применения SiC могут стать новые энергетические транспортные средства.
На самом деле типичные рынки, где SiC уже применяется, включают: железнодорожный транспорт, источники питания с коррекцией коэффициента мощности (PFC), ветроэнергетика (ветроэнергетика), фотоэлектричество (PV), новые энергетические транспортные средства (EV/HEV), зарядные сваи и источники бесперебойного питания (UPS).
Как SiC-устройства повышают эффективность системы в электромобилях
Блок управления питанием (PCU) нового энергетического автомобиля - это центральный нерв системы электропривода автомобиля, управляющий потоком и скоростью передачи электрической энергии от батареи к двигателю.
Традиционные БПУ изготавливаются из полупроводников на основе кремния, и потери мощности при прохождении сильных токов и высоких напряжений через кремниевые транзисторы и диоды являются наиболее значительным источником потерь мощности в гибридных автомобилях.
Использование SiC значительно снижает потери энергии в этом процессе, а также существенно уменьшает размеры устройства, позволяя создать более компактный дизайн кузова.
* Значительное уменьшение размеров и веса
Таким образом, SiC и GaN могут казаться «братьями» по многим ключевым характеристикам, но на самом деле они светят по-разному в своих областях знаний.
GaN более дешёвый, а SiC способен работать в более экстремальных условиях окружающей среды.
