#高功率電源設計 #電源管理 #氮化鎵GaN
【不可不知的材料界新星：氮化鎵】
「氮化鎵」(GaN) 可望逐漸成為「高功率模組」的首選；未來更將擴及低電壓應用，如：高端音訊放大器、無人機、電動車、照明、運算、太陽能板、汽車影像技術，以及任何能接上插座的電器裝置。GaN 是一種由「鎵」和「氮」兩種元素合成的超高速半導體材料，近年來成為學術界和產業界共同關注和著力研發的熱點，矽基 GaN 功率器件更被視作聖杯。與傳統矽元件相較，GaN 在物理特性上具有明顯優勢：
1. 轉換效率高：GaN 的禁帶寬度是矽的 3 倍、臨界擊穿電場是矽 10 倍，意謂在同樣額定電壓下，GaN 的導通電阻約比矽元件低 1,000 倍，大幅降低開關的導通損耗、使功率密度倍增；
2. 工作頻率高：GaN 的電子渡越時間比矽低 10倍，電子速度比在矽中高兩倍以上、反向恢復時間基本可以忽略，因此 GaN 開關功率器件的工作頻率是矽的 20 倍以上！大幅減少電路中電容、電感等儲能元件的體積、模組尺寸可縮小 50%，連帶減少設備體積和原材料消耗，而開關頻率高可減少開關損耗，進一步降低總功耗；
3. 耐受溫度高：GaN 的禁帶寬度高達 3.4eV，本徵電子濃度極低，電子很難被激發，理論上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高溫。
為降低 GaN 元件成本，業界設法從製程尋求變通：透過外延技術在更大尺寸的矽基取得 GaN 外延片。如此便可使用成熟的矽製程和設備大量生產，再將矽基 GaN 與光電元件、數控電路整合，集成直接面向終端應用的功能性模組。GaN-on-Si 晶圓仍有三大技術瓶頸待克服：一是失配問題，矽基與 GaN 之間存在晶格常數、熱膨脹係數和晶體結構不匹配；二是極性迥異，由於矽原子間形成的是「純共價鍵」，屬非極性半導體，而 GaN 原子間卻是極性鍵、屬極性半導體；三是矽基上的矽原子擴散，會降低外延層的晶體品質。
或許能以「增壓引擎」來比喻 GaN，只要搭配適合的驅動程式、封裝與其他元件，確實能提升伺服器和資料中心的系統效能；且可避免電子裝置或設備「散熱不佳」，拖累系統運作。當連網已成為日常生活的一部分，人們對高耗電的數位裝置，以及電力和發電廠的依賴也隨之激增；藉由 GaN 改善電路效率，既環保又節能。此外，小自手機，大至高端工業機具和伺服器，各種系統的電路皆需切換數百萬計的小型開關；每一次動作，都會產生熱能、減損供電效率。GaN 可減少生熱，讓開發者能在更小的電路板空間、納入更多的開關設計。
延伸閱讀：
《TI：製程、封裝相助集成，氮化鎵伺機而起》
http://compotechasia.com/a/____/2016/0706/32426.html
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#德州儀器TI #http://compotechasia.com/microsite/view.php?aid=32761
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