知識(shí)科普：什么是氮化鎵

2024-01-30 2283

如果熟悉快充行業(yè)的話，那么“氮化鎵”一定榜上很有名。相信絕大多數(shù)讀者朋友都聽(tīng)過(guò)這個(gè)“名詞”。它頻頻出現(xiàn)在各類充電產(chǎn)品的宣傳媒介上、行業(yè)峰會(huì)的報(bào)告里以及行業(yè)自媒體文章中。

那么到底什么是氮化鎵呢？

認(rèn)識(shí)氮化鎵

根據(jù)維基百科詞條，氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種III族和V族的直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體。

結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電器件中。

材料特性

氮化鎵(GaN) 是一種寬禁帶的直接帶隙半導(dǎo)體，它有著很寬的直接帶隙，很高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，很高的熱導(dǎo)率和非常好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。此外，如同其他III族元素的氮化物，氮化鎵對(duì)電離輻射的敏感性較低，具有較高的穩(wěn)定性。

物理外觀上一般為黃色粉末，類鉛鋅礦晶體，摩爾質(zhì)量為83.73 g/mol g·mol?1，熔點(diǎn)在2500°C以上，密度為6.15 g/cm3。遇水能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且不可燃。

研發(fā)背景

氮化鎵最早于1928年被人工合成，在后面的70年里通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，于90年代被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管上，研發(fā)之初是用于制造出顏色從紅色到紫外線的發(fā)光二極管。

后來(lái)在應(yīng)用過(guò)程取代半導(dǎo)體上的硅基器件，上面我們有介紹氮化鎵(GaN) 的材料特性，可以發(fā)現(xiàn)其特性明顯比硅基器件更優(yōu)越。氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長(zhǎng)，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長(zhǎng)GaN外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無(wú)需使用成本很高的特定生產(chǎn)設(shè)施，而且可采用低成本、大直徑的硅晶片。

應(yīng)用范圍

氮化鎵的應(yīng)用范圍十分廣闊，目前被廣泛用于軍工電子、通訊、功率器件、集成電路、光電子等領(lǐng)域中。下面為大家簡(jiǎn)單介紹一下氮化鎵的應(yīng)用范圍。

充電產(chǎn)品

作為專注于充電領(lǐng)域的自媒體，我們這邊主要聊聊氮化鎵在充電產(chǎn)品上的應(yīng)用，氮化鎵在充電器材上廣泛應(yīng)用的歷史其實(shí)并不算長(zhǎng)。

氮化鎵充電芯片被推出市場(chǎng)是在2014年，納微科技成立不久，推出世界上首款氮化鎵功率IC的原型demo。而被廠商采納并應(yīng)用于充電器材，是在2018年，由國(guó)內(nèi)的ANKER PowerPort Atom PD1充電器率先采用。

氮化鎵充電器問(wèn)世后，以其出色的功率密度和充電性能很快被消費(fèi)者和廠商青睞，隨后，越來(lái)越多的廠商開(kāi)始陸續(xù)用氮化鎵材料取代基于硅基器材，生產(chǎn)充電器。到如今，氮化鎵充電器幾乎已經(jīng)成了高性能充電器的代名詞。

那么氮化鎵這一第三代半導(dǎo)體材料究竟有什么魔力，使得充電器充電性能提升的同時(shí)還能大幅度的減小外形尺寸呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，首先我們需要了解一下充電器的工作原理。

充電器工作原理

我們以100W氮化鎵某品牌手機(jī)充電器為例，根據(jù)它的的工作原理看一下氮化鎵發(fā)揮的作用，紅色框框圈著的構(gòu)件就是氮化鎵材料。

首先220V交流電經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲、EMI濾波電路、整流橋?qū)⑺兂筛邏褐绷麟姡缓箅娏鲿?huì)通過(guò)一系列濾波電路、PFC升壓電路（PFC控制器、PFC開(kāi)關(guān)管、PFC升壓電感），進(jìn)入到PFC整流管里面，接下來(lái)再次進(jìn)入高壓濾波電解電容中，過(guò)濾掉雜波后，進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源電路。

開(kāi)關(guān)電源電路，主控芯片通過(guò)協(xié)議芯片反饋的信息控制初級(jí)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行一定頻率開(kāi)關(guān)，搭配變壓器輸出符合要求的低壓交流電，同步整流控制器控制同步整流管將低壓交流電整流為低壓直流電，固態(tài)電容濾除雜波。

最后電流通過(guò)對(duì)應(yīng)的協(xié)議芯片，輸出符合協(xié)議規(guī)范的穩(wěn)定低壓直流電進(jìn)入到充電設(shè)備，整個(gè)充電過(guò)程就算完成了，手機(jī)充電的過(guò)程也就是高壓交流電向低壓直流電轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

那么氮化鎵在這個(gè)工作流程中究竟起什么作用呢？

氮化鎵開(kāi)關(guān)管的作用

通過(guò)流程圖我們知道，氮化鎵材料在充電器中主要存在于PFC開(kāi)關(guān)管和初級(jí)開(kāi)關(guān)管里，所以要弄明白氮化鎵的作用先明白開(kāi)關(guān)管是干啥的？以及氮化鎵的開(kāi)關(guān)管起什么作用？

先回答第一個(gè)問(wèn)題——開(kāi)關(guān)管是干啥的？

開(kāi)關(guān)管顧名思義就相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于控制電子流動(dòng)的元件，輸入高電平可以讓電子自由流動(dòng)，低電平電流靜止。在這個(gè)過(guò)程中不斷開(kāi)關(guān)可以讓電流變成一個(gè)高頻的脈動(dòng)電流。為什么變成高頻脈動(dòng)電流呢？

這里涉及到一個(gè)知識(shí)點(diǎn)就是，脈動(dòng)電流的頻率f是直接與變壓器的體積大小相關(guān)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以用這樣一個(gè)公式（U=2π*f*N*Bm*S/√2）來(lái)表示，而各符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是這樣的。

其中，鐵芯橫截面積S和每伏匝數(shù)N，可以決定變壓器的體積，從而直接影響充電器的大小。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，考慮到電路損耗、發(fā)熱等各方面因素，N、S是不能隨意縮小的。如果一定要把它縮小的話，比較有效的辦法就是提高交流電頻率f。

在電壓不變的情況下，最顯著的方式就是提高交流電頻率f，而開(kāi)關(guān)管的作用就是控制交流電頻率f。

于是接下來(lái)我們就能回答第二個(gè)問(wèn)題了，氮化鎵的開(kāi)關(guān)管起什么作用？氮化鎵開(kāi)關(guān)管相比與以往的硅基開(kāi)關(guān)管性能要優(yōu)異很多，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1、更高的擊穿強(qiáng)度

2、更快的開(kāi)關(guān)頻率

3、更低的導(dǎo)通電阻

4、更高的導(dǎo)熱系數(shù)

5、更低的開(kāi)關(guān)損耗

我們對(duì)比了一下氮化鎵與硅材料的開(kāi)關(guān)管特性，可以得出以下結(jié)論：

1）氮化鎵3.42/eV的禁帶寬度意味比硅材料更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（是硅的11倍），能承受近330萬(wàn)V的電壓而不被破壞化學(xué)結(jié)構(gòu)；

2）電子遷移率更高，意味著電流通過(guò)速率更高，導(dǎo)通電阻越小，開(kāi)關(guān)頻率f也更高，從而大幅度減小變壓器和其他阻容件的體積。

3）氮化鎵的熱導(dǎo)率也要高于硅，從而體現(xiàn)出更優(yōu)越的散熱性，對(duì)元件的損耗就更小。

那么氮化鎵如何開(kāi)關(guān)損耗的呢？

氮化鎵在硬開(kāi)關(guān)中的優(yōu)勢(shì)上，在材料本身和器件上具有優(yōu)勢(shì)，一是Qg(主要是米勒電容比較小、可降低開(kāi)關(guān)交越損耗；二是Coss較低，可降低結(jié)電容充放電損耗。

氮化鎵在硬開(kāi)關(guān)中的優(yōu)勢(shì)上，一是擁有較低的Coss較低，可以較小死區(qū)時(shí)間，提高效率；二是擁有較低的Qrr，可以降低方向恢復(fù)損耗。

以上，就是氮化鎵作為開(kāi)關(guān)管的優(yōu)越體現(xiàn)，概括來(lái)說(shuō)就是。氮化鎵這種材料主要在充電器原件中作為開(kāi)關(guān)管存在，而氮化鎵的開(kāi)關(guān)管由于更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開(kāi)關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗以及更高的導(dǎo)熱系數(shù)使得它能顯著減少充電器其他元件設(shè)備的體積，并且讓開(kāi)關(guān)管的性能更優(yōu)越。

從充電產(chǎn)品的整體來(lái)看，氮化鎵的好處包括尺寸、重量和成本的減少，也包括BOM成本（其他系統(tǒng)元件如電容、散熱器和電感器的價(jià)格）、消耗成本和冷卻成本。此外呢，氮化鎵替換硅器件可以同時(shí)獲得更高的效率、更高的功率密度，甚至可能兩者兼得。所以氮化鎵會(huì)成為現(xiàn)在充電器的熱門(mén)材料。

其他應(yīng)用

除了在充電產(chǎn)品中的應(yīng)用，氮化鎵在其他領(lǐng)域用處也十分廣泛，根據(jù)2022年5月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，GaN器件有三分之二應(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達(dá)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件、光電子等領(lǐng)域。

在軍工電子領(lǐng)域，典型應(yīng)用是有源電子掃描陣列雷達(dá)。下圖就是搭載氮化鎵材料的有源電子掃描陣列雷達(dá)。

目前美國(guó)的E-2D艦載預(yù)警機(jī)就裝載有氮化鎵材料應(yīng)用的有源電子掃描陣列雷達(dá)，除預(yù)警機(jī)外，戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)也將氮化鎵技術(shù)作為未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。2021年6月28日，美國(guó)《航空周刊》網(wǎng)站報(bào)道認(rèn)為：當(dāng)前，氮化鎵（GaN）技術(shù)在戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)上的應(yīng)用蓄勢(shì)待發(fā)。氮化鎵已是5G電子設(shè)備和大型搜索雷達(dá)當(dāng)前的首選半導(dǎo)體，正處于過(guò)渡到戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)應(yīng)用的潮頭，有望使戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自20世紀(jì)90年代末采用有源相控陣技術(shù)以來(lái)最大的一次性能飛躍。

 在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。氮化鎵基站PA的功放效率較其他材料更高，因而能節(jié)省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無(wú)線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質(zhì)量。

在光電子領(lǐng)域，氮化鎵由于它的材料特性可用于制造發(fā)光二極管與激光，基于氮化鎵的紫色激光二極管被用于讀取藍(lán)光光盤(pán)。氮化鎵與銦（InGaN）或鋁（AlGaN）的混合，其帶隙取決di于銦或鋁與氮化鎵的比例，可以制造出顏色從紅色到紫外線的發(fā)光二極管。

總結(jié)

據(jù)<觀研報(bào)告>指出：“氮化鎵可廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、航空航天等更高功率和更高頻率領(lǐng)域；由于商業(yè)化進(jìn)展快，將領(lǐng)跑第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)。”研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，到2027年，功率GaN器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到20億美元。

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料，成名時(shí)間并不算長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域也遠(yuǎn)未到邊界。目前，基于氮化鎵材料的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用拓展正處于方興未艾的階段，可以預(yù)知的是，未來(lái)的日子里，氮化鎵會(huì)走進(jìn)更多領(lǐng)域而被我們熟知。

每一次新材料的發(fā)明和應(yīng)用，都是對(duì)行業(yè)的沖擊，沖擊中既有挑戰(zhàn)，也蘊(yùn)藏著機(jī)遇。把握好新材料的應(yīng)用對(duì)于廠商、行業(yè)、甚至國(guó)家都有巨大的發(fā)展意義。氮化鎵的發(fā)展與現(xiàn)狀就生動(dòng)地詮釋了這一點(diǎn)——如今，屬于氮化鎵的賽道已開(kāi)啟，前路還長(zhǎng)，讓我們拭目以待！