GaN – Bước nhảy lớn của ngành bán dẫn hiện đại

[Hồng Nhi]

Trong vài năm trở lại đây, Gallium Nitride (GaN) nổi lên như một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng nhất thế giới. Nhờ đặc tính vượt trội so với Silicon (Si), GaN đang dần trở thành nền tảng của các thiết bị công suất cao, tần số cao và hiệu suất lớn – từ bộ sạc nhỏ gọn, trạm phát 5G cho đến hệ thống năng lượng trong xe điện.

I. GaN là gì?​

GaN (Gallium Nitride) là hợp chất bán dẫn gồm Gali (Ga) và Nitơ (N), thuộc nhóm bán dẫn dải rộng (Wide Bandgap Semiconductor).
Dải năng lượng (bandgap) của GaN đạt ~3.4 eV, lớn gấp 3 lần Silicon (1.1 eV). Đây là yếu tố quyết định nhiều tính năng vượt trội của GaN:

• Chịu điện áp cao
• Hoạt động ở nhiệt độ lớn
• Tổn hao thấp
• Chuyển mạch nhanh

GaN có cấu trúc tinh thể phổ biến dạng wurtzite lục giác, mang lại độ bền cơ-hóa cao và tính ổn định rất tốt.

II. Tính chất vật lý – điện tử nổi bật của GaN​

Dưới đây là những chỉ số quan trọng giải thích vì sao GaN vượt Silicon:

1. Dải cấm rộng (Wide Bandgap ~3.4 eV)​

• Cho phép hoạt động ở nhiệt độ cao mà vẫn ổn định
• Giảm rủi ro đánh thủng điện (breakdown)

2. Điện trường đánh thủng cao​

• GaN: ~3.3 MV/cm
• Si: ~0.3 MV/cm
  → GaN chịu được điện áp cao hơn 10 lần.

3. Độ cơ động electron cao​

Giúp transistor GaN chuyển mạch nhanh → giảm kích thước và tăng hiệu suất.

4. Độ dẫn nhiệt tốt​

• Tản nhiệt nhanh
• Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt

5. Tần số hoạt động lớn​

Cho phép ứng dụng trong:

• 5G
• Radar
• Vi ba công suất cao

III. Ưu điểm vượt trội của GaN so với Silicon​

1. Hiệu suất điện năng cao hơn rõ rệt​

GaN giúp giảm tổn hao chuyển mạch (switching loss) và tổn hao dẫn (conduction loss).
Điều này giúp:

• Bộ nguồn mát hơn
• Giảm kích thước linh kiện
• Tăng tuổi thọ thiết bị

2. Chuyển mạch nhanh gấp nhiều lần Silicon​

→ Tạo ra thiết bị:

• Nhỏ hơn
• Nhẹ hơn
• Tần số hoạt động cao hơn

3. Hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao​

GaN có thể hoạt động ở máy móc công nghiệp, ô tô, hàng không – nơi Silicon không thể đảm đương.

4. Độ tin cậy cao​

Nhiều nghiên cứu cho thấy transistor GaN có khả năng chịu nhiệt, bền cấu trúc và ít suy hao theo thời gian.

IV. Ứng dụng của GaN trong thực tế​

1. Điện tử công suất (Power Electronics)​

Bao gồm:

• Sạc nhanh cho điện thoại/laptop (65W – 240W)
• Bộ chuyển đổi DC-DC
• Inverter trong năng lượng mặt trời
• Bộ nguồn máy chủ
• Bộ nguồn nhỏ gọn cho thiết bị y tế

GaN giúp giảm kích thước sạc xuống còn 1/3 mà vẫn tăng hiệu suất.

2. LED và Laser công nghệ cao​

GaN là nền tảng tạo ra:

• LED xanh
• LED trắng siêu sáng
• LED UV
• Laser xanh/tím (Blu-ray)
• Laser công suất cao dùng trong chiếu sáng, công nghiệp

Năm 2014, Nobel Vật lý được trao cho các nhà khoa học phát triển LED xanh dựa trên GaN.

3. Thông tin tần số cao (RF / 5G)​

GaN được sử dụng trong:
Bộ khuếch đại công suất (PA) cho trạm 5G

• Radar quân sự
• Hệ thống vệ tinh
• Thiết bị vi ba công suất lớn

GaN giúp tăng phạm vi phủ sóng và giảm tiêu thụ năng lượng.

4. Ứng dụng trong xe điện (EV)​

• Tăng hiệu suất bộ chuyển đổi
• Tăng khả năng sạc nhanh
• Giảm trọng lượng hệ thống điện
• Giúp hệ thống hoạt động mát hơn

V. GaN HEMT – trái tim của các thiết bị GaN​

Linh kiện quan trọng nhất trong công nghệ GaN là HEMT (High Electron Mobility Transistor).
HEMT GaN có:

• Độ cơ động electron cực cao
• Điện áp đánh thủng lớn
• Tốc độ chuyển mạch nhanh

HEMT GaN chính là lí do sạc GaN nhỏ, mát và nhanh.

VI. Xu hướng và tương lai của GaN​

GaN được dự đoán sẽ trở thành vật liệu chủ đạo trong nhiều ngành:

✔ Điện tử công suất thế hệ mới​

✔ 5G/6G và thông tin tần số cao​

✔ Xe điện và năng lượng tái tạo​

✔ Laser, LED UV và thiết bị y tế​

✔ Thiết bị IoT tiết kiệm năng lượng​

Rất nhiều tập đoàn đã đầu tư mạnh vào GaN:
Infineon, Navitas, GaN Systems, STMicroelectronics, TSMC…

VII. Kết luận​

GaN không chỉ là vật liệu bán dẫn mới – mà là nền tảng cho cuộc cách mạng điện tử hiện đại.
Với khả năng hoạt động ở điện áp cao, tần số lớn và hiệu suất vượt Silicon, GaN sẽ tiếp tục phát triển mạnh trong:

• Sạc nhanh
• Viễn thông 5G/6G
• Xe điện
• Hệ thống năng lượng tương lai

GaN chính là tương lai của ngành bán dẫn, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất và RF.

 

[MasterMaster là thành viên đã được xác minh.]

GaN (Gallium Nitride) – vật liệu bán dẫn đang làm thay đổi nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại.

---

1. GaN là gì?​

GaN (Gallium Nitride) là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm III–V, cấu tạo từ Gallium (Ga) và Nitrogen (N). Vật liệu này có khe năng lượng rộng (wide bandgap: ~3.4 eV) nên chịu điện áp cao, nhiệt độ cao và có tốc độ chuyển mạch rất nhanh.
GaN hiện được xem là vật liệu kế thừa cho silicon (Si) trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và mật độ năng lượng cao.

---

2. Ưu điểm vượt trội của GaN​

✔ 2.1. Tốc độ chuyển mạch rất nhanh​

• Electron trong GaN di chuyển nhanh hơn nhiều so với silicon.
• Điều này giúp các linh kiện GaN đóng/cắt ở tần số cao → bộ sạc, bộ nguồn nhỏ hơn nhưng mạnh hơn và ít tỏa nhiệt.

✔ 2.2. Chịu được điện áp cao – ít hao tổn​

• GaN có điện trường đánh thủng cao gấp ~10 lần silicon.
  → Dòng rò thấp, tổn hao nhỏ, hiệu suất cao.

✔ 2.3. Hoạt động tốt ở nhiệt độ cao​

• Wide bandgap giúp GaN bền vững ở điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.
• Không cần tản nhiệt cồng kềnh như các transistor silicon công suất.

✔ 2.4. Kích thước nhỏ​

• Vì hiệu suất tốt → linh kiện GaN có thể thiết kế nhỏ hơn nhiều.

---

3. Ứng dụng quan trọng​

8

3.1. Sạc nhanh & bộ nguồn (PSU, adapter)​

• Bộ sạc GaN (65W, 100W, 140W…) nhỏ hơn 30–50% so với bộ sạc silicon.
• Tỏa nhiệt thấp hơn, hiệu suất ~92–95%.

3.2. 5G – Viễn thông – Radar​

GaN cho phép:

• Tăng công suất phát RF
• Giảm hao tổn
• Tăng độ ổn định
  → Dùng trong 5G, vệ tinh, radar quân sự, trạm phát BTS.

3.3. Ô tô điện & năng lượng tái tạo​

• Inverter hiệu suất cao hơn
• Bộ sạc onboard (OBC) nhẹ và nhỏ hơn
• Giảm hao phí khi chuyển đổi điện

3.4. Điện tử công suất​

• MOSFET và HEMT GaN rất quan trọng trong bộ biến tần PV (năng lượng mặt trời), UPS, nguồn công nghiệp.

3.5. LED & công nghệ ánh sáng​

GaN là nền tảng cho LED xanh, lam và trắng – giúp kích hoạt cả ngành công nghiệp chiếu sáng LED tiết kiệm năng lượng.

4. So sánh GaN và Silicon​

Đặc tính	Silicon (Si)	Gallium Nitride (GaN)
Bandgap	1.12 eV	3.4 eV
Khả năng chịu điện trường	Thấp	Rất cao
Tốc độ electron	Trung bình	Rất nhanh
Tổn hao	Nhiều	Ít
Hiệu suất	Khá	Rất cao
Kích thước linh kiện	Lớn	Nhỏ
Nhiệt độ làm việc	Trung bình	Cao

→ GaN vượt trội trong hầu hết các chỉ số quan trọng của điện tử công suất.

5. Tại sao GaN đang bùng nổ hiện nay?​

• Công nghệ chế tạo GaN đã rẻ hơn.
• Nhu cầu sạc nhanh và thiết bị nhỏ gọn tăng mạnh.
• Điện tử công suất trong xe điện, 5G, năng lượng tái tạo phát triển nhanh.
• GaN phù hợp với xu hướng tiết kiệm năng lượng toàn cầu.

6. Hướng phát triển tương lai​

• MOSFET GaN 650 V → 900 V, 1200 V đang được nghiên cứu.
• GaN-on-SiC dùng cho ứng dụng RF quân sự và vệ tinh.
• Các thiết bị GaN sẽ thay thế phần lớn silicon trong thị trường adapter, bộ nguồn, trạm 5G và EV.