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la introducción más completa de Nanomicro, que lo llevará a conocer rápidamente el semiconductor de tercera generación ¿Qué es el nitruro de galio (GaN)?

Suelte en : 22 jul. 2021

Comprenda GaN en un artículo: la introducción más completa de Nanomicro, que lo llevará a conocer rápidamente el semiconductor de tercera generación
¿Qué es el nitruro de galio (GaN)?


El nitruro de galio es un compuesto que combina galio (número atómico 31) y nitrógeno (número atómico 7). Es un material semiconductor de banda ancha con una estructura cristalina hexagonal estable. La banda prohibida se refiere a la energía requerida para que los electrones escapen de la órbita nuclear. La banda prohibida del nitruro de galio es de 3,4 eV, que es más de tres veces la del silicio, por lo que el nitruro de galio tiene una banda prohibida amplia (WBG).
El ancho de banda prohibido determina el campo eléctrico que puede soportar un material. El nitruro de galio tiene una banda prohibida más grande que los materiales de silicio tradicionales, por lo que tiene una región de agotamiento muy estrecha, por lo que se puede desarrollar una estructura de dispositivo con una concentración de portador muy alta. Debido a las ventajas de GaN con transistores más pequeños, rutas de corriente más cortas y resistencia y capacitancia ultrabajas, los dispositivos de carga de los cargadores de GaN funcionan 100 veces más rápido que los dispositivos de silicio tradicionales.
Más importante aún, en comparación con el silicio tradicional, GaN puede manejar un campo eléctrico más grande en un espacio de dispositivo más pequeño mientras proporciona velocidades de conmutación más rápidas. Además, el nitruro de galio puede operar a temperaturas más altas que los dispositivos semiconductores basados ​​en silicio.
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¿Por qué es importante el nitruro de galio (GaN)?
La importancia del nitruro de galio (GaN) se ha vuelto cada vez más prominente y creciente. Porque en comparación con la tecnología de silicio tradicional, no solo tiene un rendimiento excelente y una amplia gama de aplicaciones, sino que también puede reducir eficazmente la pérdida de energía y la ocupación de espacio. En algunas I + D y aplicaciones, los dispositivos de silicio tradicionales han alcanzado sus límites físicos en términos de conversión de energía. El nitruro de galio con un límite superior más alto puede unificar orgánicamente las ventajas de la eficiencia de carga, la velocidad de conmutación, el tamaño del producto y la resistencia al calor, y es naturalmente más popular.
Con el aumento continuo de la demanda mundial de energía, el uso de la tecnología de nitruro de galio no solo puede satisfacer la demanda de energía, sino también reducir de manera efectiva las emisiones de carbono. De hecho, se ha demostrado que el diseño y la integración de GaN sirven como semiconductor de potencia de próxima generación y su huella de carbono es 10 veces menor que la de los dispositivos tradicionales basados ​​en silicio. Se estima que si los centros de datos globales que utilizan dispositivos de chip de silicio se actualizan para utilizar dispositivos de chip de energía de nitruro de galio, los centros de datos globales reducirán el desperdicio de energía en un 30-40%, lo que equivale a ahorrar 100 MWh de energía solar y 1,25 Miles de millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono.
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El atractivo de GaN no es solo la mejora del rendimiento y la eficiencia energética a nivel del sistema. Cuando descubrimos que fabricar una sola pieza de chip de potencia de nitruro de galio, puede reducir el 80% del consumo de químicos y energía en el proceso de fabricación. Además, puede ahorrar más del 50% de los materiales de empaque. Las ventajas ambientales del nitruro de galio será mucho más grande que los materiales tradicionales de silicio lento.
Nitruro de galio: historia y futuro
El galio no existe como elemento en la naturaleza. Por lo general, es un subproducto producido en el proceso de procesamiento de bauxita en aluminio o en el proceso de refinación de esfalerita en zinc. Por lo tanto, la huella de carbono de la extracción y refinación del galio es muy baja.
La producción anual de galio supera las 300 toneladas y se espera que la capacidad de almacenamiento mundial supere el millón de toneladas. Dado que el galio es un subproducto del procesamiento, el costo es relativamente bajo, alrededor de US $ 300 por kilogramo, que es 200 veces menor que el del oro, que es de aproximadamente US $ 60.000 por kilogramo.
Dmitri Mendeleev predijo la existencia de galio en 1871. En 1875, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) descubrió el galio en París y lo nombró en honor a su latín francés nativo, Gallia (Galia). El punto de fusión del nitruro de galio puro es de solo 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), por lo que a una temperatura corporal normal, se derretirá en una mano humana.
Después de otros 65 años, GaN se sintetizó artificialmente por primera vez. No fue hasta la década de 1960 que surgió la tecnología para la fabricación de películas delgadas de cristal único de nitruro de galio. Como compuesto, el nitruro de galio tiene un punto de fusión de más de 1600 ° C, que es 200 ° C más alto que el silicio.
En 1972, se inventaron diodos emisores de luz LED basados ​​en material de nitruro de galio (utilizando nitruro de galio dopado con magnesio). Este es un evento histórico histórico. Aunque los LED de GaN originales no eran lo suficientemente brillantes para uso comercial, esta es la primera vez que los seres humanos producen LED que emiten luz azul violeta. En 1991, se patentó un método para producir LED azules de mayor brillo y, dos años más tarde, nacieron los LED azules de alto brillo.
El uso comercial de LED azules de alto brillo es un punto de inflexión en la industria electrónica. Al agregar recubrimientos de fósforo, los humanos se han dado cuenta de que es posible crear LED blancos que pueden reemplazar las lámparas incandescentes de baja eficiencia. Agregue LED rojos y verdes para formar una pantalla basada en LED. Desde el primer televisor LCD retroiluminado por LED hasta la última pantalla OLED, esto ha acelerado el reemplazo del mercado de televisores y pantallas de tubos de rayos catódicos (CRT), y la desaparición de los productos de pantallas de "transistores de deflexión" basados ​​en silicio.
Por lo tanto, GaN es la tecnología central detrás de las pantallas a color de alta resolución que usamos en televisores, teléfonos móviles, tabletas, computadoras portátiles y monitores. En términos de fotónica, el nitruro de galio también se utiliza en la tecnología de láser azul (más notablemente, el cabezal láser de disco óptico utilizado en los reproductores de Blu-ray).
Además de la fotónica, aunque los transistores de nitruro de galio lanzaron tecnologías relacionadas en 1993, no fue hasta alrededor de 2004 que el primer transistor de alta movilidad de electrones de nitruro de galio (HEMT) comenzó a estar disponible comercialmente. Estos transistores se utilizan comúnmente en infraestructura de radiofrecuencia que requiere alto rendimiento y alto voltaje. Unos años más tarde, en 2008, se promovieron los cristales de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de GaN (MOSFET) (formados sobre sustratos de silicio), pero debido a los circuitos complejos y la falta de componentes del ecosistema de alta frecuencia, la tasa de utilización fue baja.
Fundada en 2014, la misión de Nanomicro Semiconductor es aprovechar al máximo las ventajas de los dispositivos de banda ancha de los chips de potencia de GaN en una amplia gama de aplicaciones, ofrecer las amplias posibilidades de las aplicaciones de tecnología de banda ancha y lograr una revolución de velocidad en el campo de la energía. electrónica. En 2018, Nanomicro Semiconductor fue seleccionada en la famosa lista de empresas emergentes "Silicon 60" de EETIMes. En 2019, Frost y Sullivan Frost y Sullivan reconocieron la visión única, las soluciones de sistema y las tecnologías centrales de Nanomicro Semiconductors. Se cree que se espera que Nanomicro genere y traer sistemas de energía de próxima generación basados ​​en GaN. En el mismo año, Nanomicro Semiconductor fue galardonado con el título de "Estrella de la Innovación" por Shanghai Zhangjiang 895 y Zhangjiang Science City ICV Pioneer Alliance. Posteriormente, en 2020, Nanomicro Semiconductor también ganó el "Premio a la Excelencia en Innovación en Diseño de Semiconductores" y el "Diseño de Semiconductores Premio a la Excelencia en Innovación "de la Asociación de la Industria de las Comunicaciones de China (CCIA) en 2020. Premio" Empresa innovadora sobresaliente de Aspencore del año ".
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También en 2020, Nanomicro Semiconductor anunció más de 100 patentes para dispositivos y aplicaciones de GaN.
Nanomicro Semiconductors continúa desarrollando la serie GaNFast de productos de chips de potencia. A diferencia de la mayoría de los dispositivos de silicio tradicionales o de los primeros dispositivos GaN discretos, estos dispositivos de Nanomicro Semiconductors utilizan un paquete de montaje en superficie muy pequeño QFN, que elimina los circuitos de protección y accionamiento discretos perjudiciales y que limitan la velocidad, y reduce el área de la placa de circuito impreso (PCB).
A partir del 1 de abril de 2021, Nanomicro Semiconductors ha completado el envío y transporte de 18,2 millones de chips de energía de nitruro de galio sin fallas.
Si necesita consultar la información de calidad y envío de chips de potencia de GaN más reciente, visite nuestra página de calidad del producto.
Aplicaciones de GaN
Durante mucho tiempo, el nitruro de galio se ha utilizado en la producción de LED y componentes de radiofrecuencia, pero ahora, en el creciente mercado de aplicaciones de conmutación y conversión de energía, el nitruro de galio se ha convertido cada vez más en la opción principal. Y el chip de potencia basado en nitruro de galio también puede cumplir con los requisitos de alto rendimiento, ocupación de espacio reducido y resistencia a altas temperaturas.
En teléfonos móviles y portátiles, puede utilizar dispositivos de radiofrecuencia basados ​​en GaN para enviar y recibir señales de red móvil y WiFi. Los cargadores que cargan estos dispositivos utilizan cada vez más chips de potencia de nitruro de galio. Actualmente, el mercado más grande de energía GaN es el mercado de carga rápida para dispositivos móviles. El chip de potencia de nitruro de galio puede hacer que la velocidad de carga del cargador sea tres veces más rápida que la del cargador de silicio tradicional, pero el tamaño y el peso son solo la mitad de este último. Más importante aún, los productos de cargador de puerto único que utilizan GaN cuestan solo la mitad del precio de los mejores cargadores de silicio antiguos y los cargadores de GaN multipuerto son más caros que los cargadores de silicio antiguos.El dispositivo es más de tres veces más bajo.
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Los chips de potencia de nitruro de galio también se pueden implementar en servidores de centros de datos. Con el aumento del tráfico del centro de datos, la capacidad del silicio para transmitir energía ha alcanzado el límite de las "propiedades físicas". Eventualmente, los chips de silicio tradicionales serán reemplazados por chips de potencia de nitruro de galio de alta velocidad en el campo de los chips de potencia.
La integración del hardware del centro de datos, el nuevo método de arquitectura de CC de alto voltaje HVDC y el chip de potencia de nitruro de galio altamente integrado y producido en serie han mejorado enormemente la eficiencia de carga. Se estima que si los centros de datos globales que utilizan dispositivos de silicio se actualizan a dispositivos de nitruro de galio, los centros de datos globales reducirán el desperdicio de energía en un 30-40%, lo que equivale a ahorrar 100 MWh de energía solar y 125 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono. . Por lo tanto, el uso de nitruro de galio representa otro paso sólido hacia el objetivo de "Net-Zero" en la industria de los centros de datos.
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En la industria automotriz, GaN se está convirtiendo en la tecnología preferida para la conversión de energía y la carga de baterías en el campo de los vehículos de nueva energía. Los productos de energía basados ​​en GaN también están apareciendo cada vez más en inversores utilizados en dispositivos de generación de energía solar, así como en accionamientos de motor y otras soluciones de conversión de energía industrial.
¿Por qué el nitruro de galio es mejor que el silicio?
El nitruro de galio (GaN) es un material de "banda ancha" (WBG). La banda prohibida se refiere a la energía requerida para que los electrones escapen de la órbita nuclear. La banda prohibida del nitruro de galio es 3.4ev, que es más de tres veces la del silicio, por lo que el nitruro de galio tiene una banda prohibida amplia (WBG).
La banda prohibida del silicio es de 1,1 eV y la banda prohibida del nitruro de galio es de 3,4 eV. Debido a que el material de banda prohibida ancha tiene una alta intensidad de campo eléctrico y la región de agotamiento es estrecha y corta, se puede desarrollar una estructura de dispositivo con una concentración de portador muy alta. Por ejemplo, un transistor de nitruro de galio lateral típico de 650 V puede soportar un voltaje superior a 800 V, y su región de deriva de drenaje es de 10-20 μm, o aproximadamente 40-80 V / μm. Esto es mucho más alto que el límite teórico de 20 V / μm para el silicio. Sin embargo, los dispositivos de GaN todavía están muy por debajo del límite de banda prohibida de aproximadamente 300 V / µm, lo que deja un gran margen para futuras optimizaciones y mejoras.
A nivel de dispositivo, según la situación real, la cifra de mérito obtenida por el producto de la resistencia normalizada (RDS (ON)) y la carga de puerta (QG) es de 5 a 20 veces mejor que la del silicio. Al usar transistores más pequeños y rutas de corriente más cortas, los cargadores de GaN podrán lograr una resistencia y capacitancia ultrabajas, y la velocidad de conmutación se puede aumentar cien veces.
Para aprovechar al máximo las capacidades de los chips de potencia de GaN, otras partes del circuito también deben funcionar de manera eficiente a frecuencias más altas. Después de agregar el chip de control en los últimos años, la frecuencia de conmutación del cargador de GaN ha aumentado de 65-100 kHz a más de 1 MHz. El nuevo controlador está en desarrollo. Los microcontroladores y procesadores de señales digitales (DSP) también se pueden usar para implementar topologías de circuitos de conmutación suave actuales, y ya se pueden usar materiales magnéticos ampliamente utilizados optimizados para el rango de 1-2 MHz.
Los chips de potencia de nitruro de galio combinan las ventajas de frecuencia, densidad y eficiencia en una topología de medio puente. Como flyback de abrazadera activa, tótem PFC y LLC. Con el cambio de la topología de conmutación rígida a la topología de conmutación suave, la ecuación de pérdida general del FET primario se puede minimizar, aumentando así la frecuencia a 10 veces mayor.
El rendimiento sin precedentes de los chips de potencia GaN se convertirá en un catalizador para la segunda revolución de la electrónica de potencia.
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Comparación de nitruro de galio y carburo de silicio
El nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) son materiales con banda prohibida amplia (WBG), que tienen mejores propiedades físicas que el silicio (Si). Los espacios de banda de los tres materiales son: Si 1.1eV; SiC 3.2eV; GaN 3.4eV, por lo que el nitruro de galio y el carburo de silicio manejan voltajes más altos mucho mejor que el silicio. El voltaje de ruptura (en MV / cm) del nitruro de galio y el carburo de silicio es 10 veces mayor que el del silicio.
La diferencia fundamental entre el nitruro de galio y el carburo de silicio es la "velocidad" o "movilidad de los electrones". A 2000 / Vs, la movilidad electrónica del nitruro de galio es un 30% más rápida que la del silicio y un 300% más rápida que la del carburo de silicio, lo que significa que el nitruro de galio es un ganador de alta frecuencia. Los interruptores de potencia de nitruro de galio se denominan "transistores de alta movilidad de electrones" (HEMT).
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Las características de banda ancha de GaN pueden reducir efectivamente los costos de producción y las emisiones de carbono en aplicaciones de chips de potencia con voltajes de 100 V a 600 V. El carburo de silicio tiene una conductividad térmica más alta y es adecuado para escenarios de mayor potencia que requieren una gran disipación de calor. La otra diferencia principal entre los dos es la corriente; el carburo de silicio tiene las características de una "estructura vertical", que es más adecuado para aplicaciones de alta potencia; mientras que el nitruro de galio de nano-micro semiconductor tiene una "estructura lateral", lo que hace Posibilidad de integración monolítica. El chip de nitruro de galio con estructura horizontal integra FET de potencia, controlador, lógica, protección, sensor y controlador.
¿Cómo pueden los chips de potencia GaN mejorar el diseño de cargadores de carga rápida?
Las características de banda ancha de GaN pueden reducir efectivamente los costos de producción y las emisiones de carbono en aplicaciones de chips de potencia con voltajes de 100 V a 600 V. El carburo de silicio tiene una conductividad térmica más alta y es adecuado para escenarios de mayor potencia que requieren mucha disipación de calor. La otra diferencia principal entre los dos es la corriente; el carburo de silicio tiene las características de una "estructura vertical", que es más adecuado para aplicaciones de alta potencia; mientras que el nitruro de galio de nano-micro semiconductor tiene una "estructura lateral", lo que hace Posibilidad de integración monolítica. El chip de nitruro de galio con estructura horizontal integra FET de potencia, controlador, lógica, protección, sensor y controlador.
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Para obtener una lista de cargadores y adaptadores de nitruro de galio, visite el sitio web de GaNFast, busque por potencia, marca o tamaño, y vea reseñas y enlaces para comprar cargadores rápidos de nitruro de galio.
¿Qué es un chip de potencia de GaN?
A través del empaquetado SMT, el chip de potencia GaNFast ™ GaN se da cuenta de la integración del dispositivo, la unidad, el control y la protección de GaN. Estos chips de potencia GaNFast ™ son un módulo de "entrada y salida digital" (entrada y salida digital) fácil de usar. Dado que la impedancia del controlador de la puerta es básicamente cero, se puede lograr una pérdida cero durante el apagado después de la integración. Además, el rendimiento de apertura se puede personalizar y controlar de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación.
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