先进的半导体能否减少足够的温室气体排放，从而在遏制气候变化的斗争中发挥作用？答案是肯定的。这样的改变实际上正在有条不紊地进行着。
从2001年左右开始，化合物半导体氮化镓引发了一场照明革命，从某些方面来看，这是人类历史上最快的技术变革。根据国际能源署的一项研究，在短短二十年内，基於氮化镓的发光二极体在全球照明市场中的份额已从零增长到超过50%。研究公司 Mordor Intelligence 最近预测，在全球范围内，LED 照明将在未来七年内将照明用电量减少30%至40%。根据联合国环境规划署的数据 ，在全球范围内，照明约占用电量的20%和二氧化碳排放量的6% 。
每个晶圆都包含数百个最先进的功率晶体管
这场革命远未结束。确实，它即将跃升至更高的层次。改变了照明行业的半导体技术氮化镓 (GaN) 也是电力电子革命的一部分，这场革命正在蓄势待发。因为化合物半导体中的一种——碳化硅 (SiC)——已经开始在巨大而重要的电力电子领域取代硅基电子产品。
GaN和SiC器件比它们正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全世界有数以亿计的此类设备，其中许多每天运行数小时，因此节省的能源将是巨大的。与GaN LED取代白炽灯和其他传统照明相比，GaN和SiC电力电子产品的兴起最终将对地球气候产生更大的积极影响。
几乎所有必须将交流电转换为直流电或将直流电转换为直流电的地方，浪费的功率都会减少。这种转换发生在手机或笔记本电脑的壁式充电器、为电动汽车供电的更大的充电器和逆变器以及其他地方。随着其他硅据点也落入新半导体，将会有类似的节省。无线基站放大器是不断增长的应用之一，这些新兴半导体在这些应用中显然具有优势。在减缓气候变化的努力中，消除功耗浪费是唾手可得的成果，而这些半导体正是我们收获它的方式。
这是技术史上常见模式的新实例：两项相互竞争的创新同时取得成果。这一切将如何摆脱？SiC将在哪些应用领域占据主导地位，而GaN将在哪些领域占据主导地位？认真审视这两种半导体的相对优势可以为我们提供一些可靠的线索。
为什麽电力转换在气候计算中很重要
在我们了解半导体本身之前，让我们首先考虑一下我们为什麽需要它们。首先：电源转换无处不在。它远远超出了为我们的智能手机、平板电脑、笔记本电脑和无数其他小工具供电的小型壁式充电器。
电力转换是将电力从可用形式转变为产品执行其功能所需形式的过程。在这种转换中总会损失一些能量，并且由於其中一些产品持续运行，因此可以节省大量能源。回想一下：尽管加州的经济产出猛增，但自1980年以来，该州的电力消耗基本持平。需求保持平稳的最重要原因之一是冰箱和空调的效率在此期间大幅提高。这一改进中最重要的一个因素是使用基於绝缘栅双极晶体管(IGBT) 和其他电力电子设备的变速驱动器，从而大大提高了效率。
氮化镓和碳化硅：它们的竞争领域
在高压功率晶体管市场，氮化镓器件在400伏左右以下的应用中占据主导地位，而碳化硅现在在800伏及以上的应用中具有优势（2000伏左右以上的市场相对较小）。随着GaN器件的改进，400至1,000V之间的重要战场格局将发生变化。例如，随着1,200V GaN晶体管的推出（预计在2025年推出），电动汽车逆变器这个最重要的市场将加入这场战斗。
SiC和GaN将大大减少排放。根据2007年创立的GaN器件公司Transphorm对公开数据的分析，到2041年，仅基於GaN的技术就可以在美国和印度减少超过10亿吨的温室气体排放。数据来自国际能源署、Statista 和其他来源。相同的分析表明可节省1,400太瓦时的能源，即两国当年预计能源消耗的10%至15%。
宽频隙的优势
与普通晶体管一样，功率晶体管可以充当放大设备或开关。放大作用的一个重要例子是无线基站，它放大信号以传输到智能手机。在全世界，用於制造这些放大器中的晶体管的半导体正在从称为横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 的硅技术转向 GaN。新技术具有许多优势，包括能效提高 10%或更多取决於频率。另一方面，在功率转换应用中，晶体管充当开关而不是放大器。标准技术称为脉宽调制。例如，在常见类型的电机控制器中，直流电脉冲被馈送到安装在电机转子上的线圈。这些脉冲建立了一个磁场，该磁场与电机定子的磁场相互作用，从而使转子旋转。这种旋转的速度是通过改变脉冲的长度来控制的：这些脉冲的图形是一个方波，脉冲「开」而不是「关」的时间越长，电机提供的转速和扭矩就越大。功率晶体管完成开关。
脉宽调制也用於开关电源，这是最常见的电源转换示例之一。开关电源是为几乎所有以直流电运行的个人电脑、移动设备和电器供电的类型。基本上，输入的交流电压被转换为直流，然後该直流被「斩波」为高频交流方波。这种斩波是由功率晶体管完成的，它通过打开和关闭直流电来产生方波。方波被施加到变压器，变压器改变波的幅度以产生所需的输出电压。为了获得稳定的直流输出，来自变压器的电压经过整流和滤波。
这里的重点是，功率晶体管的特性几乎完全决定了电路执行脉宽调制的能力，因此也决定了控制器调节电压的效率。理想的功率晶体管在处於关断状态时会完全阻断电流，即使在施加的电压很高时也是如此。这种特性称为高电击穿场强，它表示半导体能够承受多大的电压。另一方面，当它处於导通状态时，这种理想晶体管对电流的流动阻力非常小。这一特徵源於半导体晶格内电荷（电子和空穴）的非常高的迁移率。将击穿场强和电荷迁移率视为功率半导体的阴阳。
与它们所取代的硅半导体相比，GaN和SiC更接近这一理想状态。首先，考虑击穿场强。GaN和SiC都属於宽频隙半导体。半导体的带隙定义为半导体晶格中的电子从价带跃迁到导带所需的能量，以电子伏特为单位。价带中的电子参与晶格内原子的键合，而导带中的电子可以在晶格中自由移动并导电。
在具有宽频隙的半导体中，原子之间的键很强，因此材料通常能够在键断裂之前承受相对较高的电压，据说晶体管会损坏。与GaN的3.40eV相比，硅的带隙为1.12电子伏特。对於最常见的SiC类型，带隙为3.26eV。[见下表，「Bandgap Menagerie」]
运行速度和阻断高压的能力是功率晶体管的两个最重要的特性。这两种品质又由用於制造晶体管的半导体材料的关键物理参数决定。速度取决於半导体中电荷的迁移率和速度，而电压阻断则取决於材料的带隙和电击穿场。
现在让我们看看迁移率，它以平方厘米/伏秒 (cm2/V·s)为单位。迁移率和电场的乘积产生电子的速度，速度越高，对於给定数量的移动电荷，携带的电流就越大。对於硅，这个数字是1,450；对於SiC，它约为950；对於GaN，约为2,000。GaN异常高的价值是它不仅可以用於功率转换应用，还可以用於微波放大器的原因。GaN晶体管可以放大频率高达100GHz …