大多數(shù) LED 屏幕以及現(xiàn)在大量室內(nèi)照明的 LED 燈中使用的都是金屬鎵。雖然它不像硅那樣廣為人知，但它正在接管硅曾經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位的許多領(lǐng)域--從天線到充電模塊和其他被稱為“電力電子”的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在此過程中，它實(shí)現(xiàn)了一系列令人驚訝的新技術(shù)，從更快充電的手機(jī)到更輕的電動(dòng)汽車，再到運(yùn)行我們使用的服務(wù)和應(yīng)用程序的更節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。

　　作為從巖石中提取鋁的副產(chǎn)品，鎵的熔化溫度很低，以至于當(dāng)您將其握在手中時(shí)，它會(huì)變成一種流動(dòng)的銀白色液體。就其本身而言，它并不是非常有用。

　　但如果將其與氮結(jié)合，制成氮化鎵，它將變成具有寶貴特性的堅(jiān)硬晶體。這種被稱為第三代半導(dǎo)體的材料現(xiàn)在開始出現(xiàn)在許多自動(dòng)駕駛汽車中使用的激光傳感器、支持當(dāng)今快速蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的天線中，并且越來越多地出現(xiàn)在對(duì)提高可再生能源收集效率至關(guān)重要的電子產(chǎn)品中。

　　許多由氮化鎵（也稱為 GaN）制成的的東西正在電力電子領(lǐng)域發(fā)生變化。今天，您可以購買帶有足夠電量的小型 USB-C 充電器，它可以同時(shí)為您的筆記本電腦、手機(jī)和平板電腦供電，即使它們并不比我們的小工具多年來隨附的功率低得多的版本大很多。

　　將一種電壓電平轉(zhuǎn)換為另一種電壓電平的電力電子設(shè)備也是電動(dòng)汽車許多方面的關(guān)鍵。芯片制造商 GaN Systems 的首席執(zhí)行官 Jim Witham 表示，它們更小、更輕、更高效并且散發(fā)的熱量更少，因此電動(dòng)汽車充電后可以行駛更遠(yuǎn)。他補(bǔ)充說，這些產(chǎn)品也非常擅長從太陽能電池板等可再生能源中榨取更多的電力。在多次發(fā)生時(shí)，即使是很小的電力轉(zhuǎn)換效率也會(huì)增加，例如在包括電池存儲(chǔ)的可再生能源電網(wǎng)中。

　　GaN 可能是一種奇跡材料，但它面臨著來自久經(jīng)考驗(yàn)的真正硅和越來越多的新材料的競爭，這些新材料顯示出徹底改變我們的電子產(chǎn)品的潛力。盡管如此，它的用途仍在擴(kuò)大。GaN Systems 也有客戶在數(shù)據(jù)中心測試其芯片，在那里降低功耗和廢熱可以轉(zhuǎn)化為大量的電費(fèi)節(jié)省。然而其數(shù)據(jù)中心客戶均未公開承認(rèn)使用該技術(shù)。

　　在開始的時(shí)候，GaN 還只是實(shí)驗(yàn)室的一種產(chǎn)物。然后五角大樓對(duì)其產(chǎn)生了興趣，因?yàn)樗麄冃枰獙ふ倚滦碗娮釉O(shè)備來驅(qū)動(dòng)下一代雷達(dá)和無線通信。劍橋大學(xué)材料科學(xué)教授兼氮化鎵中心主任雷切爾奧利弗說，從 2000 年左右開始，國防部高級(jí)研究機(jī)構(gòu)Darpa 的資助推動(dòng)了克服氮化鎵商業(yè)化的許多障礙所需的實(shí)驗(yàn)。

　　除了在民用領(lǐng)域的無數(shù)應(yīng)用之外，GaN 現(xiàn)在還出現(xiàn)在軍用硬件中，用于從無線電干擾到導(dǎo)彈防御的所有領(lǐng)域，這一切都得益于其獨(dú)特的特性。

　　與硅相比，GaN 可以處理相對(duì)大量的電流。Oliver 博士說，它具有不同尋常的特性，既擅長移動(dòng)電子，又擅長不讓它們?nèi)ツ悴幌Ｍ鼈內(nèi)サ牡胤剑@使得它既有用又相對(duì)安全。

　　除了導(dǎo)電能力外，GaN 還能夠在比硅高得多的頻率下工作--在商業(yè)應(yīng)用中快 30 到 500 倍--這使得充電器比傳統(tǒng)充電器更小或提供更多功率。

　　隨著我們的整個(gè)世界變得越來越電氣化，從我們的能源到使用它的設(shè)備，任何能更有效地執(zhí)行將電力從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的關(guān)鍵但容易忽視的功能的東西都有可能成為兩者無處不在，是巨大的收入來源。這就是為什么這個(gè)領(lǐng)域有數(shù)十家初創(chuàng)公司和成熟公司的原因，包括 Navitas Semiconductor、GaN Systems、Power Integrations、德州儀器、英飛凌和意法半導(dǎo)體。

　　然而，GaN 電力電子市場仍處于起步階段。Gartner 研究副總裁 George Brocklehurst 表示，2019 年，所有晶體管的整個(gè)市場約為 160 億美元，而 Navitas、GaN Systems 和其他公司提供的晶體管市場為 4500 萬美元。

　　還有其他潛在的革命性材料開始與硅競爭，例如石墨烯，但 GaN 微芯片具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，它們可以在制造傳統(tǒng)微芯片的同類制造設(shè)施（稱為晶圓廠）中生產(chǎn)，Navitas 的市場營銷負(fù)責(zé)人斯蒂芬奧利弗說。

　　因?yàn)樗鼈儾恍枰钕冗M(jìn)的芯片制造技術(shù)，所以 GaN 芯片可以在舊的、折舊完的晶圓廠生產(chǎn)，否則這些晶圓廠可能會(huì)閑置。Oliver 先生說，一個(gè)幸運(yùn)的副作用是 GaN 芯片供應(yīng)沒有趕上更廣泛的全球半導(dǎo)體短缺。Navitas 的芯片目前在仍由臺(tái)灣芯片制造巨頭臺(tái)積電運(yùn)營的最古老的晶圓廠制造。

　　GaN 的采用率現(xiàn)在變得如此普遍，以至于價(jià)格正在迅速下降。這就是為什么您現(xiàn)在可以以 20 到 70 美元的價(jià)格購買 GaN 充電器，它在各方面都比您的小工具隨附的充電器要好。

　　GaN Systems 等公司正在將該技術(shù)推向其他領(lǐng)域。寶馬 和豐田都是他們的投資者。2019 年，豐田展示了一款原型車，該車采用完全基于 GaN 的電力電子設(shè)備，從汽車的車載充電器到 LED 燈。

　　但是，GaN 芯片不是灌籃高手。材料科學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生了少數(shù)競爭對(duì)手。Gartner 的 Brocklehurst 先生說，傳統(tǒng)的硅功率電子器件在大多數(shù)應(yīng)用中仍然占主導(dǎo)地位，而在汽車領(lǐng)域，碳化硅是一種與 GaN 具有許多相同特性的替代品，有著更長的記錄。

　　一系列有前途但不太了解的物質(zhì)可以讓前面提到的所有物質(zhì)都物有所值，包括氧化鎵和氧化鋁。Oliver 博士說，兩者都是可以圖案化成微芯片的半導(dǎo)體。

　　材料革命尚未發(fā)生的地方是最大的半導(dǎo)體市場：為我們的計(jì)算機(jī)供電的處理器。直到最近，Oliver 博士說，GaN 只能做傳統(tǒng)硅晶體管能做的一半的事情。

　　到目前為止，GaN 無法處理運(yùn)行由傳統(tǒng)硅邏輯芯片執(zhí)行的計(jì)算所需的電流。但最近的研究結(jié)果表明，這種情況可能正在發(fā)生變化。

　　“如果幾年前你問我是否會(huì)在邏輯上看到 GaN，我會(huì)說：‘哦，別傻了，’”她說?！暗F(xiàn)在這是可能的，它可能會(huì)讓更快的設(shè)備成為可能?！?/p>