Что такое нитрид галлия (GaN)?
Силовые полупроводники GaN привлекают внимание в качестве ключевых компонентов высокопроизводительных электромобилей следующего поколения, помогая уменьшить размер и вес при одновременном повышении эффективности. Эти соображения касаются вопросов, связанных с объемом. Инженеры могут использовать GaN для создания систем силовой электроники, которые до 4 раз меньше, легче и теряют в 4 раза меньше энергии, чем системы на основе Si. Нулевое обратное восстановление снижает потери при переключении в зарядных устройствах аккумуляторов и тяговых инверторах, а также дает такие преимущества, как более высокая частота и скорость переключения. Кроме того, снижение потерь при включении и выключении переключателя помогает уменьшить вес и объем конденсаторов, катушек индуктивности и трансформаторов, используемых в таких устройствах, как зарядные устройства для электромобилей и инверторы.
Нитрид галлия (GaN) — очень твердый и механически очень стабильный широкозонный полупроводниковый материал. Силовые компоненты на основе нитрида галлия явно превосходят компоненты на основе кремния благодаря более высокой пробойной прочности, более быстрому переключению, более высокой теплопроводности и меньшему сопротивлению в открытом состоянии. Кристаллы GaN можно выращивать на различных подложках, включая сапфир, карбид кремния (SiC) и кремний (Si). Выращивание эпитаксиальных слоев GaN на кремнии позволяет использовать существующую инфраструктуру производства кремния, устраняя необходимость в дорогостоящих специализированных производственных мощностях и позволяя использовать недорогие кремниевые пластины большого диаметра.
Материалы GaN используются при производстве полупроводниковых силовых компонентов, а также могут использоваться при производстве радиочастотных компонентов и светоизлучающих диодов (СИД). Технология нитрида галлия продемонстрировала, что она может заменить полупроводниковую технологию на основе кремния в преобразованиях энергии, радиочастотных и аналоговых приложениях.
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) используют двумерный электронный газ (2DEG), который состоит из соединения двух материалов с разными энергетическими запрещенными зонами. HEMT на основе GaN переключаются быстрее, имеют более высокую теплопроводность и более низкое сопротивление в открытом состоянии, чем эквивалентные решения на основе кремния, поэтому использование GaN-транзисторов и интегральных схем в схемах может повысить эффективность, уменьшить размер и снизить стоимость различных систем преобразования энергии.
Более ста лет назад, на заре эпохи электроники, инженеры-энергетики изо всех сил пытались найти идеальный переключатель, обеспечивающий быстрое и эффективное преобразование энергии, способность преобразовывать чистую электрическую энергию в контролируемые, полезные текущие электроны. Первой появилась технология электронных ламп. Однако его низкая энергоэффективность из-за большого количества выделяемого тепла, а также большой размер и высокая стоимость ограничивают его применение. Затем, в 1950-х годах, транзистор получил широкое распространение. Его небольшой размер и преимущества более высокой эффективности сделали его «Святым Граалем» в отрасли, и он быстро заменил электронные лампы, одновременно способствуя огромному, совершенно новому развитию рынка, которого невозможно достичь с помощью технологии электронных ламп.
Кремний быстро стал предпочтительным материалом для производства полупроводниковых транзисторов. Это происходит не только из-за его превосходных электрических свойств, но и потому, что его производство намного дешевле, чем вакуумные лампы. После этого, в 1970-х и 1980-х годах, быстро развивались кремниевые транзисторы и последующие интегральные схемы. Закон Мура описывает, что производительность транзисторов удвоится примерно за 18 месяцев, а стоимость их производства также снизится, что побуждает отрасль внедрять новые продукты с более высокими характеристиками и более низкой стоимостью, которые пользуются популярностью у клиентов. . При преобразовании энергии компоненты силовых МОП-транзисторов на основе кремния реализуют этот закон и становятся основным фактором энергичного развития кремниевых транзисторов.
Как и в случае с технологией электронных ламп, силовые МОП-транзисторы на основе кремния стремились достичь более высоких характеристик при более низкой цене — они достигли предела. К счастью, рынок продолжает требовать идеальных переключателей с чрезвычайно быстрым переключением, отсутствием сопротивления и более низкой стоимостью, и появляются новые материалы, которые позволяют создавать высокопроизводительные транзисторы преобразования энергии и интегральные схемы.
Нужна помощь?
