宽禁带半导体

氮化镓半导体是由镓（Ga）和氮（N）两种元素制成的化合物半导体。

完全由氮化镓制取晶圆的成本过于高昂。对于这个问题，厂商自有妙计来应对：它们在硅晶圆上涂上超薄的一层氮化镓。这一高度复杂的金属-有机物化学气相沉积在英飞凌的特殊反应器中进行：在此，硅晶圆在1200℃的温度下暴露于各种气态化合物。只需几小时，气态物质即通过一个复杂的化学反应，生成只有千分之几毫米厚的氮化镓层。

然后将电路集成到这一层。由于氮化镓在硅基底材料上呈特殊排列，芯片中的电流平行于表面流动；而在碳化硅芯片中，电流则通过芯片。虽然这意味着氮化镓芯片无法处理很高的电压，但它们却能以极快的速度进行开关且几乎不产生损耗。

随着生活方式的改变、数字化及人工智能的持续推进，数据的量级正呈指数级增长。同时，在大幅上涨的还有数据中心的能耗量。根据国际能源署数据，2022年，数据中心耗电量占全球总耗电量约2%（相当于4,600亿度电）。而问题的关键是：这些能源消耗在哪里？用于什么目的？该如何减少能源需求？

你知道吗，数据中心总能耗中仅冷却和备用电源两项的能耗就高达50%。这意味着，数据中心亟需找到可替代的能源解决方案。除了已有的半导体技术，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型宽禁带半导体在这里发挥了尤其重要的作用。仅凭借氮化镓技术的应用，每年全球就能节省210亿度电。而英飞凌所有相关技术（Si、SiC、GaN）总共可帮助节省的能源高达480亿度。

氮化镓晶体管（HEMT）可帮助我们突破能源效率和空间利用的极限。从技术上讲，正因为氮化镓晶体管的使用，我们才能让48 V服务器达到最高98.5%的效率，让12 V服务器达到最高100 W/inch3的功率密度。在任何特定电源中，CoolGaN™晶体管可将开关频率提高10倍，并最多将能源损耗降低50%。

这使得数据中心可在空间相同或更小的情况下实现更高功率密度，且能够降低冷却所需的能耗。对于数据中心运营商而言，这意味着可以大幅节省运营费用及资本支出。同时也意味着向环境中排放的二氧化碳可以大幅减少。

如今的通讯设备充电器需要体积小，功率大，且可靠性高。还有一个更重要的：环保。但电压转换过程中损耗的电能怎么办呢？该如何避免这些损耗呢？秘诀在于选择正确的半导体技术。

想象一下：假如世界上所有的智能手机充电器都使用英飞凌的功率器件，那么每年节省的电能相当于慕尼黑这种大城市所有家庭一年的用电量。换句话说，我们可以节省约230万度电，相当于每年可以减少排放二氧化碳超过1,000吨！

1.充电器和适配器中先进的微电子技术可以减少废热。而氮化镓半导体技术在这方面尤为有效。氮化镓晶体管可在电压转换器中实现更高的开关频率，同时将损耗控制在最低。简单来说，氮化镓半导体在充电器中可帮助节省大量电能。

2. 此外，氮化镓技术还可帮助实现更高功率密度。这意味着，在不影响性能或充电时长的情况下，设备尺寸可以更小。

3. 最后，氮化镓功率级和晶体管正在推动USB-C标准的推行。预计USB-C全面推行后，每年将能减少1.1万吨电子垃圾。

此处可深入了解英飞凌的氮化镓产品组合

碳化硅半导体是由硅（Si）和碳（C）两种元素组成的化合物半导体。与“传统”硅相比，碳化硅的生产更加复杂。

虽然碳化硅在自然界中以金刚砂的形式存在，但它的纯度太低，使得它必须像硅一样进行晶体生长。不同的是，单晶硅在约1,500℃的温度下两天就能长到一米长，而碳化硅则需要在2,400℃的温度下经过长达两周才能长出一个原始晶体（又称“晶锭”），它最多只有十厘米长。下一步是用很细的钻石线将该晶锭切割成极薄的晶圆。在锯切和研磨过程中会损失约一半的材料。

但这个问题有解决的办法：英飞凌采用一种被称之为“冷切割”的分离技术。激光创造一个用于附着聚合物的“缺陷层”。冷却时，半导体和附着在它上面的聚合物发生不同程度的膨胀。这会产生机械应力，导致晶片裂开。这项技术之前就已存在，但只在用于碳化硅时才具有经济效益。

碳化硅晶圆比硅晶圆价格更为昂贵，并且极薄。然而，在相同的性能下，碳化硅芯片比硅器件小5倍。因此，碳化硅晶圆单片能够承受的功率高很多。

全球范围内有大量针对碳化硅进行的研究。例如，欧盟正投入8,900万欧元支持“欧洲构建碳化硅价值链以实现绿色经济”项目。这一举措背后的原因很充分：即，根据咨询机构Yole的预测，碳化硅市场规模到2027年将强劲增长至63亿美元。而且碳化硅在某些行业具有独一无二的优势。

因为有了碳化硅这一材料，电动汽车、火车和工业驱动器消耗的电能减少，太阳能电池板可向电网送入更多电能。这种半导体材料在任何需要进行直流交流转换的地方都能释放它的潜力，包括光伏模块与电网之间，电池与电机之间，以及电网与户用储能系统之间。它们之间有大量的电能流动。每一次功率变换通常都有电能损耗。碳化硅可帮助大幅降低这一损耗。根据应用领域的不同，专家认为碳化硅可降低30%的损耗。这相当于能够节省数千度电。

碳化硅的绝妙之处在于它的宽禁带。这使得碳化硅能够承受比硅更强的内部电场，因而能否使用更薄的半导体层、更低的电阻，并进一步降低功率损耗。而且，由于其坚硬的晶体结构，碳化硅还能承受更高的温度、更好地散热。这两个方面都有助于大幅降低冷却需求，从而显著减少二氧化碳的排放。

此外，碳化硅还能实现更高的开关频率。在逆变器中，这个优势显而易见。碳化硅器件将直流电“切成”许多小份，再将它们重新组合成交流电。开关频率越高，相应的电流分量越小，所需的被动器件也越小。

最能体现碳化硅实现设计小型化的典型就是太阳能逆变器。

2008年，100 kW光伏逆变器的重量达到一吨以上；而如今，125 kW光伏逆变器的重量不到100千克。这种效率高达99%的系统已经上市好几年了。

碳化硅具有理想的特殊材料性能：跟芯片尺寸相同的传统硅基半导体相比，它们能承受更大的电流，同时大幅降低功率损耗。通过实现更高的开关频率，碳化硅半导体帮助大幅减小被动器件（比如电感器）的尺寸和重量。这使得光伏逆变器能够更紧凑，从而帮助降低系统成本。

简而言之，英飞凌的碳化硅器件可帮助提高太阳能发电厂的整体效率。

碳化硅助力电动汽车实现更高效率，更高功率密度，以及更好的性能。尤其是在800 V电池系统和大电池容量的情况下，碳化硅可帮助提高逆变器的效率，从而实现更长的续航里程，降低电池成本。碳化硅还能提高车载充电器的效率和功率密度。它让电能的双向流动（从电网流向电池，及从电池流向电网）成为了可能。碳化硅对电池管理也有积极的影响：它在相同的电池尺寸下能够实现更长续航，或在续航相同时，能使电池尺寸更小、重量更轻。

此外，使用含碳化硅的充电设施进行充电，大大加快了充电的速度。更进一步来看，功率半导体可促进可持续发展：高能效汽车因为电池容量优化、冷却需求降低、以及线束设计优化而降低了重量。这帮助实现了可持续和循环的产品生命周期，减少了原材料消耗。

简而言之，英飞凌的碳化硅系统解决方案可帮助提升车辆的整体效率，尤其是提升驱动系统、牵引逆变器和车载充电器的效率。

此处可深入了解英飞凌的碳化硅产品组合。