第三代半导体材料爆发!氮化镓站上最强风口

第三代半导体材料爆发!氮化镓站上最强风口,第1张

随着市场对半导体性能的要求不断提高,第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角,成为行业未来重要增长点。

相对于第一代(硅基)半导体,第三代半导体禁带宽度大,电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄,由于性能不同,二者的应用领域也不相同。

氮化镓、高电流密度等优势,可显著减少电力损耗和散热负载,迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域,是未来最具增长潜质的化合物半导体。

与GaAs和InP等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和SiC等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。

随着行业大规模商用,GaN生产成本有望迅速下降,进一步刺激GaN器件渗透,有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

GaN主要应用于生产功率器件,目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高,因而能节省大量电能,且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段,功率密度大,能够减少基站体积和质量。

氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化,GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

根据Yole估计,大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件,因为LDMOS无法承受如此之高的频率,而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。

同时,由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围,需要安装更多的晶体管,因此市场规模将迅速扩大。

Yole预测,GaN器件收入目前占整个市场20%左右,到2025年将占到50%以上,氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。

从产业链方面来看,氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。

尽管碳化硅被更多地作为衬底材料(相较于氮化镓),国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺,欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高,须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。

其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商,占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商,逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。

近年来随着产品和市场的多样化,开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

尤其在GaN电力电子器件市场,由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能,美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。

在射频器件领域,目前LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三者占比相差不大,但据Yoledevelopment预测,至2025年,砷化镓市场份额基本维持不变的情况下,氮化镓有望替代大部分LDMOS份额,占据射频器件市场约50%的份额。

GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域,GaN PA具有最高功率、增益和效率,但成本相对较高、工艺成熟度略低,目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。

经过多年的发展,国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。

根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示,截至报告日,国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%;在4G方面有30%的占有率,产品以中低端为主,销售额占比仅有10%。

目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向,是中国 科技 崛起不可回避的环节,产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持,并具备弯道超车的可能。

可以的。

不过可能需要隔离、转换装置。

参考资料:

压力传感器工作原理

1.压力测量介绍

绝对压力传感器

差压力传感器

表压力传感器

2.压力位移的转换

位移转换介绍

电容式气囊

氧化铝膜片

半导体膜片

单晶式压力传感器

3.压力传感器的规格与性能比较

规格

特性

压力之测量

关于压力的量测,可以分成三类:

(1) 绝对压力的测量

(2) 表压力的测量

(3) 差压力的测量

绝对压力所指的就是对应于绝对真空所测量到的压力。

表压力所指的就是对应于地区性大气压力所测量的压力。

差压力就是指两个压力源间的压力差值。

如果有一压力为绝对真空,则差压力就等于绝对压力;如果压力为地区性大气压力,则差压力就等于"表压力"。

压力的测量单位为巴司卡(pascal)(简写pa),它就相当于牛顿/米2。在工业应用上,还有其它不同的压力单位;如Bar,psi(磅/吋2),大气压力,mmHg(水银柱的上升高度以mm表示)以及cmH2O(水柱的上升高度以cm表示)。

对于液体及气体压力的测量,可以使用各种不同的压力传感器。所谓"传感器"意指它是一种能量转换装置,从一个系统中吸收能量,在将此能量已不同的形式(例如电气)传送到另一个系统。所以,亦有人称之为"转换器"如同压力的测量可以分成三类一般,压力转换器也可以此三类来区分:

(a) 绝对压力传感器:此装置包含有参考真空,以做为环境的绝对压力的测量或是管接压力源的测量。

(b) 差压力传感器:最为两个管接压力源间之压力差值的测量。

(c) 表压力传感器:它也是一种差压力转换器,但是,其压力源一个为地区性大气压力,另一个则为管接的压力源。

压力位移之转换

在压力传感器中,通常是使用膜片(或是波状薄膜)来将压力P(t)转换成机械的移动量X(t)。膜片(如图)

是由一金属(或是橡皮)盘所组成,在将金属盘的边缘固定到坚固的支撑物上。圆形的波状都与膜片的外部边缘成同心圆。被压缩的液体接触到膜片的一端,使得膜面以比例于其内压力的弯曲变形。两个波状的金属膜片结合在一起,形成一个空气囊(如图)。

假如空气囊内部的空腔包含有真空,即可用以测量绝对压力;很明显地,待测压力是加至此组件的两端。如果需用更大的弯曲变形,可以将更多的膜片组件串联使用。为了测量介于两个可变压力间之差值,必须将其中的一个压力加到空气囊的内部。其它用以转换压力成移动量的机械是风箱(bellow)与布尔登管 (Bourdon tube)。近年来,随着单晶式压力传感器的发展,可以同时完成转换功能及压力传感器功能装置已被引进,这些是:

1. 电容式气囊

2. 氧化铝膜片(用于压电转换器)

3. 半导体膜片(压阻式)

电容式气囊:包含两个用以支撑电容极片的陶瓷组件,并接合在一起以形成一空腔,而产生真空。

氧化铝膜片(用于压电转换器)”在压电性材料中支撑四个桥式连接的电阻。

半导体膜片:由硅单元所组成(半导体转换器),在其上利用扩散方法以形成电阻。

单晶式压力传感器

如先前所述的,单晶式传感器就是那些集压力感测与转换作用于单一组件上的压力传感器。压力-移动量-电压之间的转换是以下列方法中之一种来完成:

(a) 电容式压力传感器:待测压力使得陶瓷膜片弯曲情形,如此就能改变组件的电容量,借着加入必须的电子电路,尽可能将此变形与压力之变化互成关系。因此电容量的变化即比例于压力的变化。(b)压阻式或"厚膜"压力传感器:这种转换器的动作原理乃应用压阻效应,此当材料受到变形时,它的电阻会随着改变。使用厚膜技术将四个电阻连接成惠斯登电桥的型式,安置于氧化铝(Al2O3)膜片上。当待测压力促使膜片变形时,电桥的差电压输出是随着改变。

(c) 半导体压力传感器:此种装置也是应用压电效应与电桥电阻形式获得量测结果,在硅支撑物上利用扩散的方法,用以产生膜片,包含电桥电阻的单元以静电处理固定在支撑玻璃上。所以,它就与外界形成机械性的隔离。当硅质膜片偏向时,电桥的输出就随着改变。(d) 压电式压力传感器:这种转换器的动作原理乃应用压电效应,此指当许料受到压迫(力或压力)时会产生电压的性质。这些性质被用来做高频时的压力测量以及声音位准的测量(在此种应用上,最有名的为"晶体式麦克风")。

压力传感器之规格与性能比较

★ 由于有各种不同型态的压力(绝对压力、差压力、表压力),需要利用传感器来做测量。所以了解那些会影响到传感器使用的其它外围特性是很重要的一件事。因此,对于明了接触到传感器的待测物是为液体或气体,就显得很重要。做为流体测量所使用的传感器,当待测流体有可能损坏传感器时,其应用就不同于那些普通的传感器。其它的重要的因子是测量范围(以bar、psi、Atm等单位来表示)。亦即,在能够维持测量规格精确度要求下传感器可以量测的压力范围。测量范围可以是单极性(压力或真空)或

双极性。

★ "过压力"(over pressure)或"试验压力"(proof pre-ssure)( 传感器可以接受而不招致损坏的最大压力)在传感器的选择中相当的重要。对于 *** 作温度范围的了解也很重要。待测的液体或气体物质的温度,绝不能超过传感器的 *** 作温度范围。

其它与温度有关的外围因子为温度误差。亦即,在测量规格的某一给定的精确度之内,温度所能变动的范围。另外一个因子为储

存温度。其它会影响转换器选择的因子为振动、热疲乏与温度等。最重要的特性为:线性度、灵敏度、稳定度、重复能力与迟滞性。

线性度:转换器指示值与最佳直线间的偏移量。此参数通常是以额满值得百分数来表示。

灵敏度:(或分辨率),可产生一输出信号值的最小输入变动值。以每单位输入的输出信号大小来表示(mv/PSI)。

稳定度:当待转换量(在固定的温度下)在输入端维持固定值时,传感器所能维持输出信号的能力。在某一给定范围内的稳定度,通常是以额满值得百分数来表示。

重复能力:在不同的时间内,相同的待转换量出现在输入端时,传感器重新产生输出信号的能力。重复能力通常是以额满值得百分数来表示。

迟滞性:相同的压力,分别以相反的方向加到传感器,传感器所指示之两个读值间的最大差值。

对于界面系统而言,较重要的因素有激励电压、F.S.O.、以及单位压力的灵敏度。

激励电压:用以传送功率给传感器的电源电压。

★ F.S.O.:(满刻度输出)在相关的压力范围之限制下,介于传感器输出电压间的差值。

单位压力的灵敏度:当压力改变一个单位值时,输出电压的相对变化值。

★ 对于某些传感器相关于满刻度压力的输出电压是以供给电压的函数来定,此值以mv/v来表示。当满刻度压力加到传感器且激励电压为一个单位值(伏特)时,传感器所指示的输出值(mv)。

传感器的特性

1.测量的型态:

(1)绝对压力

(2)差压力

(3)表压力

2.使用于:

(1)气体

(2)液体

3.测量的范围

4.试验压力

5. *** 作温度

6.振动

8.线性度

9.灵敏度

10.稳定度

11.重复能力

12.迟滞性

13.激励电压

14.F.S.O(满刻度输出)

15.单位压力的灵敏度

表格显示了压力传感器的主要特性。注意,对于相同型式的传感器 *** 作范围可以有所改变:很明显的会影响到它们的价格。单晶式压力传感器可以测量到以数百计的大气压力范围,然而其它型式的压力传感器可以测量到以数千计的大气压力范围。

压力传感器的主要特性表:

种类    精确度    价格    结构    优点    缺点    应用场合  

线性可变差动变压器    一般    一般    复杂     -    高精度产品价格高    精度要求不高的场合  

电位计式    一般    低    简单    价格低    精度,可靠性低       

应变计式    优越    高    简单    高精准度    相当贵    核子与海洋学  

单晶电容式    理论上优越    相当高    复杂    优越稳定度及温度依赖性    两极棒距离有限    工业  

单晶电阻式    良好    相当高    简单    温度稳定性 :优越线性度     -    工业  

单晶半导体式    良好    低    热补偿时叫复杂    尺寸小    对温度个高灵敏度    工业  

压电式    优越    高    电荷放大器    高精准度    相当贵    声音测量  

1、杨氏模量单位单位为Pa也就是帕斯卡。

2、杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。当一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时,F/S叫应力,其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力;ΔL/L叫应变,其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫d性模量。

3、杨氏d性模量是选定机械零件材料的依据之一,是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义,还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。


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