什么是GaN氮化镓，为什么充电器用GaN而不是SiC

很多朋友对什么是GaN氮化镓，为什么充电器用GaN而不是SiC不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

GaN，氮化镓的中文名，我们真的听过太多了。这要从这两年充电器上的疯狂内卷说起。似乎从某个时间点开始，甘一夜之间在充电界如雨后春笋。然后随之而来的就是我们期待已久的幻想开始变成现实：快充，更快的充电。

2022年的今天，动力甚至已经开始突破200的数字。这是第三代半导体材料的胜利，也是移动充电行业的狂欢。但很多人只是对GaN有一个模糊的概念，却不清楚它实现“小体积大功率”背后的原理，以及为什么能改变多行业格局。今天就带着这些问题来一探究竟吧。什么是GaN氮化镓？——从分子结构上，科学解释：

GaN:由镓(原子序数31)和氮(原子序数7)组成的化合物。它是一种宽带隙半导体材料，具有稳定的六方晶体结构。

带隙：指电子离开核轨道所需的能量。GaN的带隙宽度为3.4eV，是硅的三倍多，所以说GaN具有宽带隙特性(WBG)。带隙的宽度决定了材料可以承受的电场。与传统硅材料相比，GaN具有更宽的带隙，这使得它具有非常窄的耗尽区，因此它可以开发出载流子浓度非常高的器件结构，这直接决定了半导体的导电性。甘为什么这么红？

要回答这个问题，首先要回答：GaN的优势在哪里？由于GaN充电器具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势，其运行速度比传统的硅器件快100倍。GaN在电力电子领域的主要优势是高效率、低损耗和高频。GaN材料的这一特性让它在充电器行业大放异彩。

更重要的是，与传统硅相比，GaN可以在更小的器件空间内处理更大的电场，并提供更快的开关速度。此外，氮化镓可以在比硅基半导体器件更高的温度下工作。说白了，基于GaN功率芯片的充电器，速度是传统硅充电器的三倍，但体积和重量甚至是后者的一半。同时具有耐高温、损耗低的特点。

这也是为什么我们现在看到的充电器可以轻松达到65W、100W，但同时体积也不大，至少在以前是不可想象的。GaN的优势能带来什么？我们把这种材料技术带来的优势分为产品和行业两个层面。

对于产品：在电力电子领域，基于GaN材料的功率器件具有更高的功率密度输出和更高的能量转换效率。此外，系统可以小型化、轻量化，可以有效减小电力电子器件的体积和重量，从而大大降低系统制造和生产成本。行业：相关数据显示，在低压市场，GaN的应用潜力甚至可以占到整个电源市场的68%左右。

还有一点可能会让你大吃一惊，GaN技术还能有效减少碳排放。它的碳足迹比传统的硅基设备低10倍。据估计，如果全球所有使用硅芯片器件的数据中心升级为使用GaN功率芯片器件，全球数据中心的能源浪费将减少30-40%。这相当于节省了100 MWh的太阳能和1.25亿吨的二氧化碳排放量。所以GaN的吸引力不仅仅在于系统层面性能和能量利用率的提升。

为什么比Si好？半导体发展史：作为第一代“半导体材料”的典型代表，硅的技术和应用已经发展到了极致。甚至世界上95%以上的半导体芯片和器件都是用硅片作为基本功能材料生产的。然而，我们需要知道，任何材料的性能和效率都有一个理论极限。随着硅材料技术的发展，硅在光电子和高频大功率器件领域的诸多局限性开始显现。

换句话说，硅的性能已经开始落后于各种应用场景的需求。根本原因在于硅本身带隙窄，电子迁移率低，击穿电场低。当材料技术发展遇到瓶颈，那么我们就会寻求新的替代品，得到更好的解决方案。就开始了这条探索更高性能的道路。第一代：元素半导体

例如硅基和锗基半导体。其中，硅基半导体技术成熟，应用广泛。一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。以硅材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管，带动了以集成电路为核心的微电子产业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制。第二代：化合物半导体

20世纪90年代以来，随着移动通信的快速发展，以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始出现，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)。GaAs、磷化铟等材料适合制作高速、高频、大功率、发光的电子器件。它们是制作高性能微波毫米波器件和发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等领域。

然而，GaAs和InP材料稀缺、昂贵、有毒且污染环境，使得第二代半导体材料的应用非常有限。

第三代：宽带隙半导体

第三代半导体包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。它们的带隙都在2.3eV以上，其中以SiC碳化硅和GaN氮化镓为代表。与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料具有带隙宽、击穿电场高、热导率高、电子饱和率高、抗辐射能力强等优点，翻译过来就是：高频、高效、大功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强。

凭借极优越的性能和巨大的市场前景，第三代半导体材料正在成为全球半导体市场争夺的焦点。

宽禁带材料「双子星」——不得不说的SiC

目前来看，SiC 和GaN 的技术研究进展较快，并且已经开始有了广泛应用。SiC 与GaN 相比较，前者相对GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些。SiC 禁带宽度为3.23ev，GaN 禁带宽度为3.4ev。

SiC 器件相对于Si 器件的优势主要来自三个方面：

降低电能转换过程中的能量损耗

更容易实现小型化

更耐高温高压

据了解，SiC 功率器件的能量损耗只有Si 器件的50%，发热量只有Si 器件的50%，且有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC 功率模块的体积显著小于Si 功率模块。

听上去是不是和GaN 很像？没错，这是两者材料特性决定的，在很多性能上SiC 和GaN 具有十分相似的表现。

* Si、GaN、SiC 应用区间对比

为什么我们的充电器用的都是GaN 而不是SiC 呢？

两者有一个很大的区别是热导率。这使得在高功率高温等极限场景应用中，SiC 占据统治地位；而GaN 具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC 或Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN 具备优势。简单来说就是，SiC 如果用在我们日常的手机充电器上，其实有点大材小用，这其中也牵扯到成本的问题，综合下来其实GaN 更为合适。

SiC 的主要应用场景

SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定，这使得它可以被用在非常极端的环境条件下。针对于SiC，微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。在电力电子领域，SiC 应用市场最大的驱动力，可能来自于新能源汽车。

事实上SiC 已经被应用的典型市场包括：轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。

SiC 器件如何提升电动汽车的系统效率

新能源车的功率控制单元（PCU）是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU 使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用SiC 则大大降低了这一过程中能量损失，同时也可以大幅降低器件尺寸，车身可以设计得更为紧凑。

所以SiC 和GaN 在很多关键特性上看上去像是「两兄弟」，但其实目前它们正在各自擅长的领域发着不同的光。GaN 有着更强的成本控制，SiC 则能够胜任更极限的环境条件。

黄飞

以上知识分享希望能够帮助到大家！