效率是所有工業部門（包括消費部門）的驅動力。在電子系統中，效率會導致性能限制以及使用壽命的縮短。但是，更高的效率將行業推向更高的功率密度，同時擁有更小、更輕、更可靠的產品的可能性，同時消除了性能限制，并在數據中心和汽車系統中提供了更高的功率水平。

隨著連接設備的數量每天增加，更高效的電源轉換可以部分減少為數十億個設備供電的總財務成本。而且由于涉及的數量巨大，提高整體效率以降低環境成本在最近變得同等重要。

限制損耗至關重要，繼而限制了系統的效率，通常會導致強烈的散熱。這種損耗在功率轉換中很普遍，熱量是半導體器件的特殊敵人。從電子設備中去除多余熱量的成本是不受歡迎的，并且對環境有害。這推動了更高效半導體器件的研究和開發，以提高功率轉換效率，提高功率密度并減少能源管理的總體財務和環境影響。

寬禁帶（WBG）半導體

功率半導體歷來以硅襯底為基礎，而硅是一種出色的通用半導體，在處理高電壓時有充分記載的限制。市場正在繼續爭奪更大功率的需求，并且整個行業通常都從硅轉向了更適合功率的半導體材料。這些材料被歸類為寬帶隙，是指它們在晶體上與硅等材料在物理上有所不同。這些差異代表了幾個基本特征，其中之一是它們能夠以較高的開關頻率工作，同時將損耗保持在淺水平和可管理的水平。

晶體管是微電子工業的基礎。基材決定了它們的行為，因此定義了特性和功能。晶體管本質上是一個壓控開關，所需功率越大，尺寸越大。這可以通過使用WBG材料來補償。 WBG晶圓的供應鏈仍在優化中，并且不如已經存在的龐大硅晶圓基礎設施和供應鏈成熟。為了克服提高效率的障礙/障礙，業界在開發新的基板方面做出了巨大的努力，同時繼續利用硅所帶來的規模經濟。

用創新的半導體制成的新型晶體管，例如碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN），目前非常需要為汽車工業和替代能源構建動力系統。

GaN技術的兩種變體是硅上的GaN（硅上的GaN）和碳化硅上的GaN（SiC上的GaN）。 SiC上的GaN為太空和軍事雷達應用做出了很大貢獻。如今，RF工程師正在尋找新的應用和解決方案，以利用SiC上的GaN。

硅基氮化鎵可實現低成本，大直徑襯底的增長，并且更容易使用大容量硅晶圓廠進行器件生產。

氮化鎵以HEMT（高電子遷移率晶體管）外延晶體管的形式出現在各種基板材料上，是用于RF、微波和mmW領域的高性能器件的最新且最有前途的半導體技術。對于基于硅基氮化鎵和基于SiC氮化鎵的器件，尤其如此，它們既具有前沿的高頻功能，又具有在大晶圓直徑CMOS晶圓代工廠中規模化生產的能力。

硅基GaN功率晶體管比傳統的硅功率晶體管更能提供高效率，部分原因是轉換器拓撲結構和技術需求。具有零反向恢復電荷的GaN使其可以用于以前未考慮電源的拓撲中。正是最近啟用的拓撲與新的GaN技術結合使用，有助于實現更高的功率性能水平。峰值電流與反向恢復電荷相關，該反向電流在硅功率晶體管中可能很大，以致不能用于具有重復反向恢復的轉換拓撲中，包括半橋拓撲。

基板的優點是可以通過提供良好的集成來降低成本。可以將LNA（低噪聲放大器），開關，PA（功率放大器）集成在單個基板上。硅基氮化鎵確實有很大的興趣。集成確實具有其優勢，但是首先需要需要應用的大功率，高連接性的終端連接。在這些情況下，SiC上的GaN證明了其有效性。

參量

盡管硅半導體將在許多年內仍是主流解決方案，但在某些應用中，客戶可以利用WBG半導體的特性，包括改進的帶隙（eV）、擊穿場（MV / cm）、熱導率（W / cm-K）、電子遷移率（cm2 / Vs）和電子漂移速度。在不涉及半導體物理細節的情況下，可以說這些改進的參數使WBG半導體適用于高壓，高開關頻率應用，同時提高了功率密度和散熱。

WBG半導體功率開關的主要優點包括高電流密度，更快的開關速度和更低的漏源導通電阻（RDS（on））。從終端客戶的角度來看，這些設備性能的提高可帶來重大的系統級收益。在現實生活中的應用中，客戶可以實現高溫操作，并降低整體系統尺寸和重量。

消費市場趨勢

至于GaN在現實應用中的擴展，無線充電是最熱門的領域之一。隨著無線充電已成為手機越來越普遍的趨勢，GaN使工業客戶也可以利用該技術的優勢。在高頻下，GaN表現出優于硅的最明顯優勢。硅用于較低功率的應用中，但是隨著應用需求擴展到數十瓦甚至千瓦時，效率變得越來越重要。更高的開關頻率不僅可以提高效率，還可以提供客戶可以受益的其他優勢。

我們目前在消費市場上看到的一種趨勢是，對移動電話新的高性能功能的強烈需求。高速數據傳輸，更大，更高質量的屏幕，面部感應功能以及下一代5G很快將需要新的電源管理解決方案。所有這些功能都需要性能更高或更大的電池。更大的電池意味著更長的充電時間。除了確定便攜式設備的正確尺寸外，市場上還出現了新的充電解決方案，以便它們可以對手機進行快速充電。

當前的電池需要至少兩個小時才能充滿電。降低時間的需求導致了新的電源解決方案進入市場，從最初的15瓦到功率更高的100瓦。

與其他硅解決方案相比，氮化鎵是一種通過提供尺寸大大減小的器件來提供更高效率的材料。與其他解決方案相比，它可以使我們達到更高的功率，因此可以在更短的時間內為設備充電。

YoleDéveloppement（Yole）技術與市場分析師Ezgi Dogmus說：“我們看到了2019年，這是來自中國OEM廠商OPPO的第一個例子，該公司在其快速充電器中使用了氮化鎵器件。從那時起，我們在這個市場上看到了越來越多的吸引力。”

小米是中國有影響力的OEM，最近推出了基于GaN的快速充電器。關于主要的OEM，三星已經將GaN設備納入其附件快速充電器中，并且據我們了解，可以很快集成到其內置充電器中。關于蘋果和華為的下一代快速充電器采用GaN的傳聞也很多，但我們認為，隨著官方的宣布，我們將在下個季度中有了一個更清晰的主意，但是我們可以說鎵的吸引力很大。氮化物”，Ezgi Dogmus說。

硅仍然非常活躍，特別是在30 W以下。硅正朝著氮化鎵方向發展。在30到100 W的功率范圍內，我們仍然有硅解決方案，但是氮化鎵的競爭非常激烈，提供了高效率和快速的充電時間。它能夠支持良好的熱管理和良好的設計。原始設備制造商還希望使用小型，快速的充電器。他們不希望手機帶有大充電器，因為這不利于設備的美觀。使用氮化鎵，他們可以做到這一點，但是對于硅，問題在于它可能很大。” Ezgi Dogmus說。

許多中國公司還在充電器中使用氮化鎵。快速充電是一個現實趨勢，大型OEM將采用它，而GaN成本將繼續下降。尤爾（Yole）估計三星和蘋果也將大力采用該技術。三星已經通過電源集成為其45 W氮化鎵充電器供電。 GAN肯定正在進入智能手機市場，該市場比任何其他消費市場都要大得多，因此，當價格下降時，GAN將對其的采用大有幫助。

“據我們所知，GAN制造商之一是Power Integrations。 Power Integrations公開宣布他們將為三星即將推出的充電器提供IC解決方案。” Ezgi Dogmus說。

 “所有OEM廠商都在尋求市場認可并進一步降低這些GaN產品的成本。在這種情況下，2020年和2021年將是GaN基功率器件的關鍵年。 ” Ezgi Dogmus說。

集成對于最大程度地減少延遲和消除寄生電感至關重要，這些寄生電感限制了Si和早期分立GaN電路的開關速度。傳播延遲低至5 ns，穩健dV / dt高達200 V / ns，傳統的65-100 kHz轉換器設計可加速至MHz甚至更高。這些集成電路以MHz量級的頻率擴展了傳統拓撲的功能，例如反激式，半橋式，諧振式和其他拓撲，從而實現了革命性項目的商業化應用。

汽車行業

電動汽車（EV）車外充電是最有趣和增長最快的應用之一，其中包括快速充電器和充電站的市場。 SiC確實可以為該應用增加價值。

SiC和GaN最有利可圖的兩個應用是電動汽車和混合電動汽車（EV和HEV）。它們在更高的電壓和溫度下工作，更堅固耐用，使用壽命更長，并且開關速度比傳統半導體器件快得多。 SiC已在多種應用中采用，特別是在電動汽車中，以解決在開發高效率和高功率設備方面的能源和成本挑戰。

在Tesla逆變器中發現了對SiC的強大吸引力，因此，在電動汽車中的所有高壓解決方案中，SiC都具有強大的吸引力。在這個市場上，我們可以看到在車載充電器應用中碳化硅和氮化鎵之間存在競爭，因此不公平地說哪個是最佳選擇，因為選擇取決于OEM在成本和性能方面所采用的策略。

“幾乎所有原始設備制造商都在關注碳化硅以及氮化鎵。沒有人真正排除任何一個。這是成本和資格的問題，因此可以說碳化硅要先進一些，因為它已經通過了汽車領域的認證，并已開始在以下領域用于主逆變器和車載充電器應用中：特斯拉和比亞迪等原始設備制造商提供了幾種型號。” Ezgi Dogmus說。

GaN也符合汽車行業的條件，諸如EPC或Transform之類的公司已經擁有適用于汽車行業的合格產品，適用于EHEV應用的低壓和高壓產品。像Nexperia這樣的其他公司也正在通過新的解決方案投資市場。

“我認為在來年我們將看到越來越多的氮化鎵合格品，并且在成本和性能方面它可以與碳化硅競爭。” Ezgi Dogmus說。

最大的挑戰是由于較高的制造工藝成本和缺乏量產而廣泛采用SiC / GaN器件。大規模生產帶來了挑戰，需要強大而經過深思熟慮的制造流程。這包括晶圓測試，該測試需要測試在較高電流和電壓范圍內工作的較小設備。