前言

如果快充行業也有年度熱詞的評選的話，那么“氮化鎵”一定榜上很有名。相信絕大多數讀者朋友都聽過這個“名詞”。它頻頻出現在各類充電產品的宣傳媒介上、行業峰會的報告里以及——如充電頭網這樣的行業自媒體文章中。

那么到底什么是氮化鎵呢？

認識氮化鎵

根據維基百科詞條，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。遇水能產生化學反應，且不可燃。

研發背景

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光二極管上，研發之初是用于制造出顏色從紅色到紫外線的發光二極管。

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，可以發現其特性明顯比硅基器件更優越。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外延層可以使用現有的硅制造基礎設施，從而無需使用成本很高的特定生產設施，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用氮化鎵材料取代基于硅基器材，生產充電器。到如今，氮化鎵充電器幾乎已經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，根據它的的工作原理看一下氮化鎵發揮的作用，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，固態電容濾除雜波。

最后電流通過對應的協議芯片，輸出符合協議規范的穩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。在現實應用場景中，考慮到電路損耗、發熱等各方面因素，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異很多，主要體現在以下四個方面：

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

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，從而體現出更優越的散熱性，對元件的損耗就更小。

那么氮化鎵如何降低開關損耗的呢？

氮化鎵在硬開關中的優勢上，在材料本身和器件上具有優勢，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勢上，一是擁有較低的Coss較低，可以較小死區時間，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越體現，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越。

從充電產品的整體來看，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在充電器的熱門材料。

其他應用

除了在充電產品中的應用，氮化鎵在其他領域用處也十分廣泛，根據2022年5月統計數據，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，戰斗機雷達也將氮化鎵技術作為未來發展的一個重要方向。2021年6月28日，美國《航空周刊》網站報道認為：當前，氮化鎵（GaN）技術在戰斗機雷達上的應用蓄勢待發。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，正處于過渡到戰斗機火控雷達應用的潮頭，有望使戰斗機火控雷達實現自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光二極管。