什么是 GaN 氮化鎵？1

對(duì)于 GaN，中文名氮化鎵，我們實(shí)在是聽(tīng)得太多了。

這要從近兩年充電器上的瘋狂內(nèi)卷開(kāi)始說(shuō)起。好像從某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，一夜之間，GaN 就如雨后春筍般出現(xiàn)在了充電行業(yè)。

然后隨之而來(lái)的，就是我們憧憬已久的幻想開(kāi)始實(shí)現(xiàn)：快速充電，更快速充電。

到 2022 年的今天，功率甚至已經(jīng)在突破 200 這個(gè)數(shù)字上初現(xiàn)端倪。

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這是第三代半導(dǎo)體材料的勝利，也是移動(dòng)端充電行業(yè)的狂歡。

但對(duì)于 GaN，很多人只是有個(gè)模糊的概念，對(duì)于它實(shí)現(xiàn)「小體積大功率」背后的原理、以及為何能改變多行業(yè)格局其實(shí)并不清楚。

這也是本文的主旨，今天就讓我們帶著這些問(wèn)題去一探究竟。

什么是 GaN 氮化鎵？

——從分子結(jié)構(gòu)看

科學(xué)解釋：

GaN：

由鎵（原子序數(shù) 31) 和氮（原子序數(shù) 7) 結(jié)合而來(lái)的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

禁帶：

是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說(shuō) GaN 擁有寬禁帶特性（WBG）。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場(chǎng)。

GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開(kāi)發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)，而載流子濃度直接決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

**為什么 GaN **

這么受歡迎？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們就要先回答：

GaN 有何優(yōu)勢(shì)？

由于 GaN 具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢(shì)，GaN 充電器的運(yùn)行速度，比傳統(tǒng)硅器件要快 100 倍。

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GaN 在電力電子領(lǐng)域主要優(yōu)勢(shì)在于高效率、低損耗與高頻率，GaN 材料的這一特性令其在充電器行業(yè)大放異彩。

更重要的是，GaN 相比傳統(tǒng)的硅，可以在更小的器件空間內(nèi)處理更大的電場(chǎng)，同時(shí)提供更快的開(kāi)關(guān)速度。

此外，氮化鎵比硅基半導(dǎo)體器件，可以在更高的溫度下工作。

說(shuō)人話就是：基于 GaN 功率芯片的充電器充電速度比傳統(tǒng)硅充電器快高三倍，但尺寸和重量，甚至只有后者的一半。同時(shí)還有耐高溫、低損耗等特點(diǎn)。

這就是為什么我們現(xiàn)在看到的充電器能夠輕松達(dá)到 65W、100W，但同時(shí)它們的體積卻并不大的原因 ，至少這在以往是難以想象的。

GaN 的優(yōu)勢(shì)能夠帶來(lái)什么？

我們把這種材料技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)分成兩個(gè)層面解讀：產(chǎn)品與行業(yè)。

對(duì)產(chǎn)品：

在電力電子領(lǐng)域，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

除此之外可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

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對(duì)行業(yè)：

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在低壓市場(chǎng)，GaN 的應(yīng)用潛力甚至可以占據(jù)到整個(gè)功率市場(chǎng)約 68% 的比重。

另一點(diǎn)可能是你比較意外的，那就是 GaN 技術(shù)還可以有效降低碳排放。其碳足跡比傳統(tǒng)的硅基器件要低 10 倍。

據(jù)估計(jì)，如果全球采用硅芯片器件的數(shù)據(jù)中心，都升級(jí)為使用 GaN功率芯片器件，那全球的數(shù)據(jù)中心將減少 30-40% 的能源浪費(fèi)。

這相當(dāng)于節(jié)省了 100 兆瓦時(shí)太陽(yáng)能和 1.25 億噸二氧化碳排放量。

因此 GaN 的吸引力不僅僅在于性能和系統(tǒng)層面的能源利用率的提高。