氮化镓功率集成电路通往可持续发展未来的道路
技术分享GaN技术杂谈 – Renee Yawger
1月 28, 2023
可持续能源是当今全球重要需求。发展中经济体努力建设能源基础设施以支持工业和为偏远村庄供电。与此同时，工业化经济体正在努力平衡对更大供电需求的相互冲突和减少对环境的影响。氮化镓(GaN)集成电路为设计人员提供具备更高功率密度、更高效和可使能新应用优势的功率器件。随着全球能源成本的上升，氮化镓器件的普及化急剧加快也就不足为奇了。
为什么采用氮化镓器件？
氮化镓是一种宽带隙材料，这意味着它可以支持比硅高得多的电场强度。对于给定的电压，氮化镓器件的结构终端可以靠得更近。氮化镓电子的传输效率比硅电子高出1000多倍，而且其所需移动距离以完成工作是硅电子的十分之一。 因此，采用氮化镓功率集成电路的电路设计，可以在小很多的面积内，实现比硅器件更高的效率。基于高效的氮化镓器件的电源设计还可以实现更好的热管理（热量=能耗。更少的能耗=更少的热量）。以下我们将进一步讲解更多关于氮化镓器件的信息。
为什么可持续能源至关重要
我们必须了解85%的能源来自燃烧化石燃料[1]。化石燃料以汽油的形式用于运输，但也以油的形式用于塑料和煤的润滑剂、有时用于取暖，也有时用于生产钢铁。随着化石燃料的供应有限，以及人们越来越意识到它们对环境的不良影响，不仅要使用诸如风能和太阳能等替代能源，还要找到更有效地使用能源的方法。
氮化镓功率集成电路打造更可持续的未来
与能源相关的成本有多种，包括发电、配电、储存、转换、消耗和清理的成本。各种成本都会因应能源类型及其使用方式而变化。氮化镓功率集成电路会影响这些成本。
使用具备更快的开关速度、更低的生产成本、更小的尺寸和更低的电阻的氮化镓器件有助于用电效率和改变拓扑结构，从而大大降低成本。客户证明用于电源供电的氮化镓器件可节省约30%的能源、用于更高效太阳能电池板可节省约20%的能源，以及用于数十亿个电机的家电诸如您的冰箱、空调、电动火车和工业自动化应用，可节省约10%的能源。以上三种应用每年可节省约8%的总用电量。
交通运输让高能量的应用从依赖化石燃料改为依赖电力。全球26.6%的能耗从运输而来[2]。运输每年消耗26,750 TWh，其中70%是在道路上行走的车辆所消耗的，而这些车辆只有不到1%是电动汽车[3]。
电池驱动的电动汽车使用的能量大约是内燃机的三分之一。如果所有汽车都转换为电动汽车，每年将节省约12,000 TWh的能源。此外，与硅相比，氮化镓器件在这些系统中可节能大约10%至15%的能源，这意味着每年可节省100至1,800 TWh的能源。
氮化镓与硅器件的可持续性
与现有的硅技术相比，氮化镓技术提供了一个对可持续发展目标产生重大影响的机会。首先，与硅相比，氮化镓器件的制造过程更简单、能耗更低和成本更低。
氮化镓是外延工艺中的关键元素，是铝生产的副产品，而铝是一种广泛使用的矿物。晶圆加工是在现有制造硅的设施中进行的，但与生产硅器件相比，氮化镓器件所需的工艺步骤更少，工厂能源消耗更少。此外，在相同的电压和导通电阻，氮化镓器件比硅器件小得多，因此用相同尺寸的晶圆，可生产出更多的氮化镓芯片。.
GaN FET和集成电路具备更快的开关速度和更高效的性能，让系统设计人员能够提高功率密度，从而实现更小、更轻且能耗低于硅基设计的解决方案。更高频率的操作允许使用更少和更小的无源元件。此外，基于氮化镓解决方案改进了热性能，从而可以不需使用散热器和其他重型、高能耗的机械元件。
以上这些优势使得越来越多市场采用氮化镓器件来提高效率和实现新型应用。
您准备好使用氮化镓功率集成电路了吗？采取下一步吧
基于氮化镓器件的解决方案显着影响可持续的未来的机会，其制造成本更低、可实现更小、更轻、更高效的解决方案，而且整体系统可以使用更少元件和成本更低。在发展步伐快速的电力电子世界中，具备竞争优势的技术是成功抢占市场份额的关键因素。利用基于新型半导体的解决方案和新兴材料诸如氮化镓器件，是让工程师的设计脱颖而出并超越竞争对手的强大方法。 基于氮化镓器件的设计使工程师能够实现具备新颖功能、超高效的电路性能、可影响能效和可持续性的解决方案，从而以可衡量和有意义的方式改变我们的世界。
点击这里以了解更多关于氮化镓技术如何实现可持续发展的未来之路或与氮化镓专家联系。
参考文献：
[1] https://jennsolar.com/education/renewable-energy
[2] https://www.eia.gov/outlooks/aeo/data/browser/
[3] https://www.nytimes.com/interactive/2021/03/10/climate/electric-vehicle-fleet-turnover.html