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什么是第三代半導體?哪些行業“渴望”第三代半導體?

貿澤電子設計圈 ? 來源:貿澤電子設計圈】 ? 作者:貿澤電子設計圈】 ? 2020-12-08 17:28 ? 次閱讀

第三代半導體產業化之路已經走了好多年,受困于技術和成本等因素,市場一直不溫不火。

但今年的市場形勢明顯不同,各大半導體元器件企業紛紛加大了新產品的推廣力度,第三代半導體也開始頻繁出現在各地園區招商引資名單中。

問題來了:第三代半導體產業是真的進入春天還是虛火上升?又有哪些行業真的需要GaN或SiC功率器件呢?相對于IGBTMOSFET和超級結MOSFET,GaN和SiC到底能為電子行業帶來哪些技術變革?

為了回答這些問題,小編認真閱讀了多個面向應用的市場分析報告和白皮書,下面我們就試著回答一下上面那些問題。

什么是第三代半導體?

首先,我們有必要說一下第三代半導體的來由。 第一代半導體材料是以硅(Si)和鍺(Ge)為代表,我們目前的大多數芯片都是硅基器件。第二代半導體材料主要以砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)為代表,在4G移動通信設備和高端示波器中能看到它們的身影。以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為代表的化合物屬于第三代半導體材料。

從理論上說,第三代半導體應該叫寬禁帶(Wide Band-Gap,WBG)半導體。這里提到的禁帶寬度對電子元器件的性能影響很大。我們耳熟能詳的硅材料的禁帶寬度為1.12電子伏特(eV),WBG半導體材料的禁帶寬度則達到了2.3eV及以上。高禁帶寬度帶來的好處是,器件能夠耐高壓、耐高溫,并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。

哪些行業“渴望”第三代半導體?

接下來,咱們就討論一下到底哪些行業亟需第三代半導體器件來“拯救”。 市場上正在使用的第三代半導體材料主要有兩種,即GaN和SiC。根據材料本身的特性,GaN比較適合中低壓(600V左右)、高頻等應用,而SiC比硅更薄、更輕、更小巧,市場應用領域更偏向1000V以上的中高壓范圍。在千瓦級應用中,SiC和GaN共用的電壓范圍只能到600V,在這個電壓范圍內,GaN應該比SiC更便宜一些。綜合來看,SiC和GaN材料將在電力電子新能源汽車、數據中心充電樁5G等領域發揮重要作用,并為行業面向未來的高性能應用提供助力。

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圖1 :SiC、GaN、IGBT、超結MOSFET均有各自的市場定位(圖源:網絡) 1 電機驅動

根據美國能源局公布的數據,在所有行業中,電機系統消耗的電力約占美國總電力需求的40%。為此,一些電機系統開始使用變頻驅動器(VFD)來動態調整電機速度,以滿足功率要求并節省能源。據估計,目前安裝的電機中有40-60%將受益于VFD。根據應用的不同,加入VFD后可以減少10-30%的能耗。不過,傳統的VFD體積太過龐大,占用大量空間。基于SiC的VFD可以提高系統的體積、功率密度和效率,降低系統的整體成本。這應該算是當前最急迫的需求之一。

2 新能源汽車 牽引逆變器、直流升壓變換器和車載電池充電器是混合動力和電動汽車(HEV/EV)的關鍵元件。硅基逆變器的開關和其他損耗,以及自身的重量間接地影響了車輛的能源效率。SiC逆變器可以通過在更高的開關頻率、效率和溫度下工作來降低直接和間接損耗。采用SiC牽引逆變器的混合動力電動汽車,預計其能效能提高15%。在電動汽車全球頂級賽事“Formula E”中,Rohm公司為VENTURI車隊提供的采用全SiC功率模塊制造的逆變器,其尺寸下降了43%,重量減輕了6kg。根據DIGITIMES Research給出的預測數據:到2025年,電動汽車用SiC功率半導體仍將繼續走高,約占SiC功率半導體總市場的37%以上,高于2021年的25%。 3 分布式能源 全球1%的電力來自太陽能,預計未來10-15年將達到15%。在太陽能光伏、風能等電網應用中,硅基光伏逆變器的典型最大轉換效率約為96%。基于SiC的逆變器通過在更高的開關頻率下運行,可減小無源元件的尺寸以及系統總體占用空間,提高能源效率,降低系統級成本。 4 5G

GaN材料因電子飽和漂移速率最高,非常適合高頻率應用,而5G射頻RF)前端無疑是目前GaN最好的應用場景。現在,GaN已經成為5G應用的關鍵材料。據Yole估計,大多數低于6GHz的宏網絡單元將使用GaN器件,到2023年,GaN RF器件市場規模有望達到13億美元。在剛剛結束的2020中國移動全球合作伙伴大會上,中國移動董事長楊杰透露,中國移動已經開通5G基站38.5萬個,為所有地級市和部分重要縣城提供5G SA服務。可以說,5G為GaN的發展提供了重要機遇。隨著成本的下降,接下來GaN有望在中低功率領域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。

5 數據中心 眾所周知,數據中心是能源消耗大戶,提高能源效率迫在眉睫。基于WBG器件的高功率密度轉換器是實現更高效系統的關鍵因素,因為更高的溫度耐受性可以減少冷卻負載,并進一步提高數據中心網格到芯片的效率。 6 消費電子

消費電子產品如筆記本電腦智能手機和平板電腦的電源轉換器雖然看起來體積不大,但同樣也是能源消耗大戶。以快充充電器為例,這兩年有一個最突出的變化,那就是GaN技術的應用。GaN充電器不僅功率大,充電快,體積還小很多。據統計,自2018年以來,三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌,已經向市場提供了數百萬個GaN快速充電器。

雖然學界和產業界早就認識到SiC和GaN的材料優勢,但由于制造設備、制造工藝與成本等方面的限制,多年來只能在有限的范圍內得到應用,市場也是不溫不火。隨著 5G、新能源汽車等新興市場的出現,SiC和GaN 的不可替代性優勢得到了充分發揮。

在600V應用市場,Si VDMOS、IGBT、GaN FET、SiC MOSFET多種技術同臺競技的業態正在出現。

在高壓、大功率應用中,SiC器件開始加快商業化進程。

在5G、快充等市場,GaN已經迎來了發展的春天。

隨著制造技術的進步,需求拉動疊加成本降低,SiC和GaN的時代即將到來。

該發布文章為獨家原創文章,轉載請注明來源。對于未經許可的復制和不符合要求的轉載我們將保留依法追究法律責任的權利。

責任編輯:PSY

原文標題:第三代半導體受追捧,是虛火還是真需求?

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