氮化镓和Sslicon在各种性能指标上的比较

在电力电子领域，诸如氮化镓（GaN）之类的化合物半导体正试图取代以硅为基础的功率器件，因此受到了越来越多的关注，在过去30多年的时间里，硅基功率器件一直在繁重的工作中，不难看出为什么。GaN具有惊人的宽带隙，出色的击穿场（比硅大十倍），并且导热率比硅好得多，因此，对于任何高速和高功率应用而言，GaN都是合乎逻辑的选择。如果没有基于化合物半导体的不间断电源（UPS）系统，尖叫的基于硅的快速微处理器就毫无用处。

氮化镓的状态

电力电子产品是一个每年900亿美元的市场（正如我们在本系列第一部分中对基于硅的电力电子产品的紧凑建模关注所讨论的那样），并且如图1所示，硅成为唯一的电力电子产品市场只是因为它能够在那儿买路！

图1.氮化镓和Sslicon在各种性能指标上的比较。

无可否认，硅具有成本优势。氮化镓制造成本较高的最大因素是晶片成品率。硅制造技术已经足够成熟，可以大规模生产直径达18英寸的晶片，而GaN晶片仍在6英寸的晶片上制造。GaN制造的基底选择范围从硅或蓝宝石基底（便宜但较大的晶格失配和非常大的热膨胀系数）到碳化硅（SiC）基底（较低的晶格失配但成本高昂）。也就是说，即使当今的市场价格有利于硅，但通过部署基于GaN的电子产品所带来的效率提高以及节电的节省将在未来几年内侵蚀硅的成本优势。

图2.在概念的不同阶段中跨电压和电流的基于GaN的应用。

图2描绘了当今使用GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的各种应用的快照。GaN HEMT已在低功率或中功率消费UPS中使用，该系统可在电网电源故障的情况下将电池中存储的能量从DC转换为AC。此外，由于GaN具有出色的开关损耗和双向电流流动性，因此已在电信系统的功率因数校正（PFC）单元和负载点稳压器中进行了商业部署（其中线性或DC / DC稳压器需要放置得很近）。尽可能使用它们）。基于GaN的电动汽车充电系统（认为是Tesla），用于工业应用的大功率UPS系统，电机驱动器和光伏逆变器已经处于原型开发阶段。关键要点在于，由于固有的性能指标不佳（图1），GaN器件有望革新和小型化硅甚至无法竞争的应用（图1），这反过来将补贴GaN的制造成本，并使其价格与硅具有竞争力。在不久的将来将GaN广泛应用于电气系统中，将类似于在购买本田思域汽车时获得类似法拉利的性能。

编辑：hfy