氮化鎵功率積體電路通往可持續發展未來的道路
技術分享雜談GaN技術 – Renee Yawger
一月 28, 2023
可持續能源是當今全球的重要需求。發展中經濟體努力建設能源基礎設施以支持工業和為偏遠村莊供電。與此同時，工業化經濟體正在努力平衡對更大供電需求的相互衝突和減少對環境的影響。氮化鎵(GaN) 積體電路為設計人員提供具備更高功率密度、更高效和可使能新應用優勢的功率元件。隨著全球能源成本的上升，氮化鎵元件的普及急劇加快也就不足為奇了。
為什麽採用氮化鎵元件？
氮化鎵是一種寬能隙材料，這意味著它可以支持比矽高得多的電場强度。對於給定的電壓，氮化鎵元件的結構終端可以靠得更近。氮化鎵電子的傳輸效率比矽電子高出1000多倍，而且其所需移動距離以完成工作是矽電子的十分之一。 因此，採用氮化鎵功率積體電路的電路設計，可以在小很多的面積內，實現比矽元件更高的效率。基於高效的氮化鎵元件的電源設計還可以實現更好的熱管理(熱量=能耗。更少的能耗=更少的熱量)。以下我們將進一步闡釋更多關於氮化鎵元件的信息。
為什麽可持續能源至關重要
我們必須瞭解85%的能源來自燃燒化石燃料[1]。化石燃料以汽油的形式用於運輸，但也以油的形式用於塑料和煤的潤滑劑、有時用於取暖，也有時用於生產鋼鐵。隨著化石燃料的供應有限，以及人們越來越意識到它們對環境的不良影響，不僅要使用例如風能和太陽能等替代能源，還要找到更有效地使用能源的方法。
氮化鎵功率積體電路打造更可持續的未來
有多種與能源相關的成本，包括發電、配電、儲存、轉換、消耗和清理的成本。各種成本都會因應能源類型及其使用方式而變化。採用氮化鎵功率積體電路會降低這些成本。
使用具備更快的開關速度、更低的生產成本、更小的尺寸和更低的電阻的氮化鎵元件有助於用電效率和改變拓撲結構，從而大大降低成本。客戶證明用於電源供電的氮化鎵元件可節省約30%的能源、用於更高效太陽能電池板可節省約20%的能源，以及用於數十億電機的家電例如您的冰箱、冷氣機、電動火車和工業自動化應用，可節省約10%的能源。以上三種應用每年合共可節省約8%的用電量。
交通運輸讓高能量的應用從依賴化石燃料改爲依賴電力。全球26.6%的能耗從運輸而來[2]。運輸每年消耗26,750 TWh，其中70%是在道路上行走的車輛所消耗的，而這些車輛只有不到1%是電動汽車[3]。
電池驅動的電動汽車使用的能量大約是內燃機的三分之一。如果所有汽車都轉換為電動汽車，每年將節省約12,000 TWh的能源。此外，與矽相比，氮化鎵元件在這些系統中可節能大約10%至15%的能源，這意味著每年可節省100至1,800 TWh的能源。
氮化鎵與矽元件的可持續性
與現有的矽技術相比，氮化鎵技術提供了一個對可持續發展目標産生重大影響的機會。首先，與矽相比，氮化鎵元件的製造過程更簡單、能耗更低和成本更低。
氮化鎵是外延製程中的關鍵元素，是鋁生產的副產品，而鋁是一種廣泛使用的礦物。晶圓加工是在現有製造矽的設施中進行的，但與生產矽元件相比，氮化鎵元件所需的製程步驟更少，工廠能源消耗更少。此外，在相同的電壓和導通電阻，氮化鎵元件比矽元件小得多，因此用相同尺寸的晶圓，可生產出更多的氮化鎵芯片。.
GaN FET和積體電路具備更快的開關速度和更高效的性能，讓系統設計人員能够提高功率密度，從而實現更小、更輕且能耗低於矽基設計的解決方案。更高頻率的操作允許使用更少和更小的無源元件。此外，基於氮化鎵解決方案改進了熱性能，從而可以不需使用散熱器和其他重型、高能耗的機械元件。
以上這些優勢使得越來越多市場採用氮化鎵元件來提高效率和實現新型應用。
您準備好使用氮化鎵功率積體電路了嗎？採取下一步吧
基於氮化鎵元件的解決方案顯著影響可持續的未來的機會，其製造成本更低、可實現更小、更輕、更高效的解決方案，而且整體系統可以使用更少元件和成本更低。在發展步伐快速的電力電子世界中，具備競爭優勢的技術是成功搶佔市場份額的關鍵因素。利用基於新型半導體的解決方案和新興材料例如氮化鎵元件，是讓工程師的設計脫穎而出、超越競爭對手的有效方法。 基於氮化鎵元件的設計使工程師能够實現具備新穎功能、超高效的電路性能、可影響能效和可持續性的解決方案，從而以可衡量和有意義的方式改變我們的世界。
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參考文獻：
[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