第三代半导体：氮化镓，氧化镓，碳化硅科普贴

dog · 发表于 2021-7-14 17:16:38

第三代半导体：【氮化镓】，【碳化硅】，和最新【氧化镓】，请大神们来科普一下。

先搬运了一下，来自维基百科，搬砖引玉：

氮化镓（GaN、Gallium nitride）

是氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电器件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405 nm）激光。

如同其他III族元素的氮化物，氮化镓对电离辐射的敏感性较低，这使得它适合用于人造卫星的太阳能电池阵列。军事的和空间的应用也可能受益，因为氮化镓设备在辐射环境中显示出稳定性[4]。相比砷化镓（GaAs）晶体管，氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压工作运行，因此它们是理想的微波频率的功率放大器。

应用

2018年10月，安克创新发布全球首款USB PD氮化镓充电器[5]。此后几年内，氮化镓功率半导体渐被广泛用于消费电子产品的高功率充电器，与传统碳化硅材料器件相比，其转换效率更高、耗能较小，在体积更小的同时支持快速充电[6]。

aammoo · 发表于 2021-7-14 18:27:35

有一个氮化镓的65W充电头，体积很小

gzhuli · 发表于 2021-7-14 19:51:22

GaN HEMT多是耗尽型场效应管，常态导通，栅极需要给负压关断，控制比较麻烦（必须有辅助供电），所以现在常用的GaN管其实是GaN和一颗低压硅MOSFET接成cascode（共源共栅放大器），这样控制特性就跟一般MOSFET没区别，但又能获得GaN的高压低内阻特性。

redroof · 发表于 2021-7-14 20:15:30

本帖最后由 redroof 于 2021-7-14 20:25 编辑

gzhuli 发表于 2021-7-14 19:51
GaN HEMT多是耗尽型场效应管，常态导通，栅极需要给负压关断，控制比较麻烦（必须有辅助供电），所以现在常 ...

氮化镓比普通的硅元件真正的优点在哪呢？从技术上看。难道就是降低一点内部损耗吗？
我自己的笔记本是thinkpad X1E，一直嫌自带的135瓦电源太大，小功率的电源对这种笔记本又没法用，很久都充不进多少电。前两天终于找到联想有官方的氮化镓的电源，100瓦，体积很小。还有65瓦的更小，比以前的传统电源小非常多。为什么只有氮化镓才能做那么小？传统的硅元件为什么做不到？

redroof · 发表于 2021-7-14 20:29:54

aammoo 发表于 2021-7-14 18:27
有一个氮化镓的65W充电头，体积很小

是的。充电器用了氮化镓真的可以变的非常小，比以前小的多。问题是这个限制因素究竟在哪里呢？为什么用氮化镓可以变这么小，以前的就做不到？

spacefram · 发表于 2021-7-14 20:52:41

gzhuli 发表于 2021-7-14 19:51
GaN HEMT多是耗尽型场效应管，常态导通，栅极需要给负压关断，控制比较麻烦（必须有辅助供电），所以现在常 ...

下面那个是低压管，内阻低，上面那个高压管，用氮化镓内阻也低？

skyseeingliqy · 发表于 2021-7-14 22:03:11

redroof 发表于 2021-7-14 20:15
氮化镓比普通的硅元件真正的优点在哪呢？从技术上看。难道就是降低一点内部损耗吗？
我自己的笔记本是thi ...

说一点自己理解吧，普通硅基开关电源芯片开关频率上不去，开关损耗大，GaN开关频率很虎，所以变压器电容都不需要大体积了

gzhuli · 发表于 2021-7-14 22:49:47

redroof 发表于 2021-7-14 20:15
氮化镓比普通的硅元件真正的优点在哪呢？从技术上看。难道就是降低一点内部损耗吗？
我自己的笔记本是thi ...

GaN HEMT全称高电子迁移率晶体管，比起硅MOSFET优势就是内阻低电容小，适合高频工作。

GaN用于开关电源可以做到MHz级开关频率，相比起普通MOSFET的50~100kHz，变压器体积可以缩小很多。
同时，导通内阻和栅极电荷都比同耐压的MOSFET小很多，例如下面这颗英飞凌的GaN 600V 15A 70mΩ Qg=5.8nC，完全就是一个低压MOSFET的600V高压版，你说香不香。

R88 · 发表于 2021-7-15 09:46:23

GaN的Qg是真小，下次用试试，不过贸泽上有现货的封装都是那种薄贴片的，100w以内电源靠pcb散热也许行，二三百w估计有点悬了，如果做成铝基板也许行。直插的用的不多还得考虑加结构加散热片。

clsfig · 发表于 2021-7-15 10:29:41

gzhuli 发表于 2021-7-14 19:51
GaN HEMT多是耗尽型场效应管，常态导通，栅极需要给负压关断，控制比较麻烦（必须有辅助供电），所以现在常 ...

大师，有点不太明白，按照桶里的水取决于最短的木板，耐压不是也取决于下面的小MOS管吗？内阻也是2个MOS之和，这样下面的小MOS不就会影响到整个GaN MOS，是我理解错了吗？

gzhuli · 发表于 2021-7-15 11:09:12

clsfig 发表于 2021-7-15 10:29
大师，有点不太明白，按照桶里的水取决于最短的木板，耐压不是也取决于下面的小MOS管吗？内阻也是2个MOS ...

并联才是取决于耐压低的，串联是叠加，不然高压整流怎么玩，都是一堆二极管串联的呀。

内阻也是叠加，不过下面的可不是“小MOS”，内阻也是非常小的，例如上面GaN 570V 50mΩ，下面MOS 30V 20mΩ，加起来就是600V 70mΩ，然后Qg取决于下面的MOS。

ding86361953 · 发表于 2021-7-15 11:47:33

这管子查了下价格，很贵啊！！！！！

clsfig · 发表于 2021-7-15 12:05:51

本帖最后由 clsfig 于 2021-7-15 12:09 编辑

gzhuli 发表于 2021-7-15 11:09
并联才是取决于耐压低的，串联是叠加，不然高压整流怎么玩，都是一堆二极管串联的呀。

内阻也是叠加，不 ...

，耐压是叠加，我自己搞晕了。内阻是低压MOS的内阻加GaN的内阻，

ps：开关频率就只能受限这颗低压MOS了吧？

Z11 · 发表于 2021-7-15 12:27:49

r9000p 3070版的本子用着240W氮化镓，非常爽。原装的300w充电器温度一点不低于氮化镓，体积巨大，是一块千真万确真板砖。

shuiluo2 · 发表于 2021-7-15 12:44:10

Z11 发表于 2021-7-15 12:27
r9000p 3070版的本子用着240W氮化镓，非常爽。原装的300w充电器温度一点不低于氮化镓，体积巨大，是一块千 ...

3070的耗电量这么猛吗，300W。我看了下我挖矿的机械师3060笔记本，电源是180W。我的W530的电源，170W，但是体积接近机械师的2倍，老电源是真正的板砖。

我老婆的TP X1 Carbon，搞了个口红电源，倒是非常小巧，应该是氮化镓方案。

redroof · 发表于 2021-7-15 12:44:31

ding86361953 发表于 2021-7-15 11:47
这管子查了下价格，很贵啊！！！！！

价格贵不是问题，做出来的东西也卖贵一些就行了。羊毛出在羊身上。
显著减小体积可是真的，这样就很值了。

Himem · 发表于 2021-7-15 13:37:46

本帖最后由 Himem 于 2021-7-15 13:41 编辑

shuiluo2 发表于 2021-7-15 12:44
3070的耗电量这么猛吗，300W。我看了下我挖矿的机械师3060笔记本，电源是180W。我的W530的电源，170W，但 ...

初代65w口红电源是传统方案，但看评测转换效率比同规格的小米GaN充电头还高一些，不知怎么做到的

xuekcd · 发表于 2021-7-15 15:28:33

gzhuli 发表于 2021-7-14 22:49
GaN HEMT全称高电子迁移率晶体管，比起硅MOSFET优势就是内阻低电容小，适合高频工作。

GaN用于开关电源 ...

哇！香的冒泡！

xuekcd · 发表于 2021-7-15 15:30:37

clsfig 发表于 2021-7-15 10:29
大师，有点不太明白，按照桶里的水取决于最短的木板，耐压不是也取决于下面的小MOS管吗？内阻也是2个MOS ...

应该是上面那个关断阻抗比下面那个大得多

xuexikaifa · 发表于 2021-7-16 08:58:24

这种材料做的芯片，最高工作温度能到多少℃，大神说说看

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