為什麼氮化鎵是非常重要的？
氮化鎵元件可以更有效地傳導電子，而且可承受比矽元件更高的電場。 它無論在開關速度、熱管理、功率處理方面都超越了矽元件的性能，並且在功率轉換和射頻應用中替代矽基元件。
由於基於氮化鎵元件的系統具有更高的效率、顯著縮減尺寸、更輕盈和改善了散熱性能，在傳統採用矽元件的市場上，開始替代矽元件，並且實現了例如光達和射頻波峰追蹤等全新應用。
氮化鎵元件可以代替矽元件嗎？
1978年，矽功率MOSFET替代了較慢且老化的雙極元件。早期採用功率MOSFET的應用是雙極型元件不能支持所需更快的開關速度的應用，其最佳例子是臺式電腦的開關電源，從此，MOSFET繼續成為半導體行業的首選電源轉換元件。
這個轉變告訴我們，有四個關鍵因素控制新電源轉換技術的普及速度：
- 支持新應用的能力
- 易於使用
- 成本效益
- 可靠性
目前氮化鎵元件已成為老化功率MOSFET的設定替代元件，但要成為首選半導體技術，正如所有新技術一樣，氮化鎵技術必須滿足以下四個要求才能佔據領導地位。
GaN、4H-SiC 和 Si 的材料特性：
為什麽氮化鎵元件可以替代功率 MOSFET元件
讓我們看看新功率轉換技術在取代矽技術時，必須應對的四個關鍵問題。
1. 氮化鎵元件是否可支持新應用？
與最優的矽元件相比，早期的氮化鎵基功率電晶體及積體電路的快速開關讓它成功。矽基氮化鎵場效應電晶體及積體電路的開關速度比MOSFET元件快十倍，以及比IGBT元件快100倍。諸如4G / LTE基站的RF波峰追蹤、自動駕駛汽車、機器人、無人機和安全系統的光檢測和測距（雷射雷達）系統等應用，都是發揮高速氮化鎵元件的首批實現大量投產的應用。
氮化鎵電晶體不僅比矽MOSFET和IGBT更快，而且體積也小得多 — 大約小5到10 倍，以支持更多全新應用，包括機器人、醫療電子、衛星和無人機。
2. 氮化鎵元件易於使用嗎？
氮化鎵電晶體（特別是增强型、常開型元件）在行為上與老化的功率 MOSFET 非常相似，因此電源系統工程師只需用最少的額外培訓時間即可利用他們的經驗，採用氮化鎵元件來設計解決方案。整合式積體電路的最新發展使氮化鎵元件比矽功率元件更簡單易用。
為了幫助設計工程師加快對氮化鎵元件的學習曲綫，EPC公司出版了業界第一本關於氮化鎵電晶體的教科書（英文和簡中版）——GaN Transistors for Efficient Power Conversion。 第三版由 J. Wiley & Sons 於2019 年出版。增刊《GaN 功率器件和應用》則於2021 年出版。這些教科書可通過亞馬遜和教科書零售商購買。
此外，全球100多所大學正在講解氮化鎵元件來培養下一代高技能電源系統設計師，學習如何發揮氮化鎵技術的最高性能。
3. 氮化鎵元件比矽元件更具成本效益嗎？
EPC公司的氮化鎵電晶體及積體電路的製程跟矽基功率MOSFET的製程相似，不同的是，製造氮化鎵元件的製程步驟更少，以及在每次製程中，可以生產出更多元件。這是由於氮化鎵元件比它的矽基等效元件的體積小巧很多。此外，較低壓的氮化鎵電晶體(低於500 V)不需要使用等效矽基元件所使用的、成本更高的封裝。這個在封裝方面的優勢讓氮化鎵元件的製造成本可以降低一半，加上它具備高良率及小尺寸等優勢，使得EPC公司的氮化鎵電晶體與可比的（但速度更慢的、體積更大的）矽基功率MOSFET相比，前者的成本更低。
4. 氮化鎵元件可靠嗎？
迄今爲止，已有多家氮化鎵電晶體製造商報告了對其氮化鎵元件進行壓力測試的出色結果。EPC 一直對其元件進行各種嚴格的可靠性測試，包括測試元件至失效，以瞭解元件在數據表限值以上的工作性能，更重要的是，瞭解氮化鎵元件的內在故障機制、元件失效的根本原因和元件在時間、溫度、電氣或機械應力下的行爲，從而確定氮化鎵元件在一般的操作條件下的安全使用壽命。
EPC 繼續發佈關於氮化鎵元件的各種應力測試結果，其第15 階段產品可靠性測試報告詳細描述氮化鎵元件的現場可靠性數據是矽功率元件無法比擬的。
氮化鎵元件的其他優勢
儘管上述各個因素道出氮化鎵元件在功率轉換領域佔領導地位，但它們不是使氮化鎵元件脫穎而出的所有因素。與其他技術相比，氮化鎵元件具有更多其他優勢。
縮小尺寸和減輕重量
氮化鎵與碳化矽和矽比有什麽優點 - 在相同的額定電壓下，氮化鎵元件的每單位面積的導通電阻值要低得多。這使得氮化鎵晶片和其封裝尺寸顯著減小。
一平方毫米元件的理論導通電阻值與矽、碳化矽和氮化鎵基功率元件的阻斷電壓能力的比較：
此外，從系統的角度來看，由於氮化鎵元件開關快，因此可實現更高的開關頻率、縮小無源元件和在某些情况下，不需依靠機械散熱。採用GaN FET和積體電路可整體縮小最終解決方案和減輕其重量。
更高的功率密度和更高的效率
由於氮化鎵元件顯著改進開關性能和縮小尺寸，因此讓多種應用實現創紀錄的功率密度和效率。
其中一個示例是雲計算、人工智能、機器學習和遊戲應用的高密度計算應用所需的48 V電源。
具有高效率和高功率密度的轉換器可以降低系統級的功耗，同時實現更小的外形尺寸。對于此應用，基於氮化鎵元件的參考設計 在48 V/12 V電源轉換器展示了前所未有的功率密度( > 4 kW/in3)，峰值效率爲96.3%，而在向12 V負載提供1 kW時，效率爲93.8%，模組尺寸爲17.5× 22.8 × 7.7 mm。
更好的熱性能
氮化鎵元件工作時的能量以熱量的形式耗散。因此，元件將熱量傳遞到周圍環境的性能非常重要。與具有相同導通電阻的MOSFET元件相比，GaN FET的面積小得多，但它具有出色的絕對散熱性能。事實上，晶片級氮化鎵電晶體-外殼的熱阻 (RθJC) 低於矽元件，因此結-外殼路徑提供了良好的導熱性。
此外，採用簡單實用的散熱器安裝方法可提取更多熱量並擴展氮化鎵基設計的輸出電流能力。
總結
氮化鎵取代矽MOSFET的四個必要屬性已經實現。但這只是氮化鎵元件性能進程的開始。即使是目前市場上最新的氮化鎵元件，其尺寸也比氮化鎵元件理論上最小尺寸極限大300倍。
氮化鎵元件的最重要機遇來自它在相同基板上可同時整合功率級和信號級元件的固有能力，從而可影響電源轉換系統性能和實現其衆多的優勢。自2014年以來，EPC公司一直在生產氮化鎵積體電路，目標是實現GaN-on-Si單晶片系統，使客戶可加入邏輯電平輸入和實現高性能電源轉換。 更小、更快、成本更低、整合度更高的元件……就是爲您解答“為什麽採用氮化鎵元件？”的答案。