知識科普：什么是氮化鎵

2024-01-30 1632

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)讀者朋友都聽過這個“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)峰會的報告里以及行業(yè)自媒體文章中。

那么到底什么是氮化鎵呢？

認識氮化鎵

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）的半導體。

結構類似纖鋅礦，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體，它有著很寬的直接帶隙，很高的擊穿場強，很高的熱導率和非常好的物理、化學穩(wěn)定性。此外，如同其他III族元素的氮化物，氮化鎵對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，摩爾質量為83.73 g/mol g·mol?1，熔點在2500°C以上，密度為6.15 g/cm3。遇水能產(chǎn)生化學反應，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年里通過技術改進，于90年代被廣泛應用于發(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。

后來在應用過程取代半導體上的硅基器件，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，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長GaN外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎設施，從而無需使用成本很高的特定生產(chǎn)設施，而且可采用低成本、大直徑的硅晶片。

應用范圍

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

充電產(chǎn)品

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

氮化鎵充電芯片被推出市場是在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。而被廠商采納并應用于充電器材，是在2018年，由國內的ANKER PowerPort Atom PD1充電器率先采用。

氮化鎵充電器問世后，以其出色的功率密度和充電性能很快被消費者和廠商青睞，隨后，越來越多的廠商開始陸續(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體材料究竟有什么魔力，使得充電器充電性能提升的同時還能大幅度的減小外形尺寸呢？要回答這個問題，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，紅色框框圈著的構件就是氮化鎵材料。

首先220V交流電經(jīng)過保險絲、EMI濾波電路、整流橋將它變成高壓直流電，然后電流會通過一系列濾波電路、PFC升壓電路（PFC控制器、PFC開關管、PFC升壓電感），進入到PFC整流管里面，接下來再次進入高壓濾波電解電容中，過濾掉雜波后，進入開關電源電路。

開關電源電路，主控芯片通過協(xié)議芯片反饋的信息控制初級開關管進行一定頻率開關，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。

最后電流通過對應的協(xié)議芯片，輸出符合協(xié)議規(guī)范的穩(wěn)定低壓直流電進入到充電設備，整個充電過程就算完成了，手機充電的過程也就是高壓交流電向低壓直流電轉變的過程。

那么氮化鎵在這個工作流程中究竟起什么作用呢？

氮化鎵開關管的作用

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

先回答第一個問題——開關管是干啥的？

開關管顧名思義就相當于一個開關，用于控制電子流動的元件，輸入高電平可以讓電子自由流動，低電平電流靜止。在這個過程中不斷開關可以讓電流變成一個高頻的脈動電流。為什么變成高頻脈動電流呢？

這里涉及到一個知識點就是，脈動電流的頻率f是直接與變壓器的體積大小相關，根據(jù)法拉第電磁感應定律，可以用這樣一個公式（U=2π*f*N*Bm*S/√2）來表示，而各符號的對應關系是這樣的。

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)實應用場景中，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，而開關管的作用就是控制交流電頻率f。

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

1、更高的擊穿強度

2、更快的開關頻率

3、更低的導通電阻

4、更高的導熱系數(shù)

5、更低的開關損耗

我們對比了一下氮化鎵與硅材料的開關管特性，可以得出以下結論：

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強度（是硅的11倍），能承受近330萬V的電壓而不被破壞化學結構；

2）電子遷移率更高，意味著電流通過速率更高，導通電阻越小，開關頻率f也更高，從而大幅度減小變壓器和其他阻容件的體積。

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

那么氮化鎵如何開關損耗的呢？

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

氮化鎵在硬開關中的優(yōu)勢上，一是擁有較低的Coss較低，可以較小死區(qū)時間，提高效率；二是擁有較低的Qrr，可以降低方向恢復損耗。

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

從充電產(chǎn)品的整體來看，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。所以氮化鎵會成為現(xiàn)在充電器的熱門材料。

其他應用

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

在軍工電子領域，典型應用是有源電子掃描陣列雷達。下圖就是搭載氮化鎵材料的有源電子掃描陣列雷達。

目前美國的E-2D艦載預警機就裝載有氮化鎵材料應用的有源電子掃描陣列雷達，除預警機外，戰(zhàn)斗機雷達也將氮化鎵技術作為未來發(fā)展的一個重要方向。2021年6月28日，美國《航空周刊》網(wǎng)站報道認為：當前，氮化鎵（GaN）技術在戰(zhàn)斗機雷達上的應用蓄勢待發(fā)。氮化鎵已是5G電子設備和大型搜索雷達當前的首選半導體，正處于過渡到戰(zhàn)斗機火控雷達應用的潮頭，有望使戰(zhàn)斗機火控雷達實現(xiàn)自20世紀90年代末采用有源相控陣技術以來最大的一次性能飛躍。

 在民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。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線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質量。

在光電子領域，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光光盤。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

據(jù)<觀研報告>指出：“氮化鎵可廣泛應用于通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天等更高功率和更高頻率領域；由于商業(yè)化進展快，將領跑第三代半導體市場?！毖芯繖C構Yole預測，到2027年，功率GaN器件市場規(guī)模有望達到20億美元。

氮化鎵作為第三代半導體材料，成名時間并不算長，應用領域也遠未到邊界。目前，基于氮化鎵材料的技術研發(fā)和應用拓展正處于方興未艾的階段，可以預知的是，未來的日子里，氮化鎵會走進更多領域而被我們熟知。

每一次新材料的發(fā)明和應用，都是對行業(yè)的沖擊，沖擊中既有挑戰(zhàn)，也蘊藏著機遇。把握好新材料的應用對于廠商、行業(yè)、甚至國家都有巨大的發(fā)展意義。氮化鎵的發(fā)展與現(xiàn)狀就生動地詮釋了這一點——如今，屬于氮化鎵的賽道已開啟，前路還長，讓我們拭目以待！