知识科普:什么是氮化镓

2024-01-30 228

如果熟悉快充行业的话,那么“氮化镓”一定榜上很有名。相信绝大多数读者朋友都听过这个“名词”。它频频出现在各类充电产品的宣传媒介上、行业峰会的报告里以及行业自媒体文章中。

 

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那么到底什么是氮化镓呢?

 

认识氮化镓

根据维基百科词条,氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种III族和V族的直接能隙(direct bandgap)的半导体。

 

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结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电器件中。

 

材料特性

 

氮化镓(GaN) 是一种宽禁带的直接带隙半导体,它有着很宽的直接带隙,很高的击穿场强,很高的热导率和非常好的物理、化学稳定性。此外,如同其他III族元素的氮化物,氮化镓对电离辐射的敏感性较低,具有较高的稳定性。

 

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物理外观上一般为黄色粉末,类铅锌矿晶体,摩尔质量为83.73 g/mol g·mol⁻¹,熔点在2500°C以上,密度为6.15 g/cm3。遇水能产生化学反应,且不可燃。

 

研发背景

 

氮化镓最早于1928年被人工合成,在后面的70年里通过技术改进,于90年代被广泛应用于发光二极管上,研发之初是用于制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管。

 

后来在应用过程取代半导体上的硅基器件,上面我们有介绍氮化镓(GaN) 的材料特性,可以发现其特性明显比硅基器件更优越。氮化镓晶体可以在各种衬底上生长,包括蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。在硅上生长GaN外延层可以使用现有的硅制造基础设施,从而无需使用成本很高的特定生产设施,而且可采用低成本、大直径的硅晶片。

 

应用范围

 

氮化镓的应用范围十分广阔,目前被广泛用于军工电子、通讯、功率器件、集成电路、光电子等领域中。下面为大家简单介绍一下氮化镓的应用范围。

 

充电产品

 

作为专注于充电领域的自媒体,我们这边主要聊聊氮化镓在充电产品上的应用,氮化镓在充电器材上广泛应用的历史其实并不算长。

 

氮化镓充电芯片被推出市场是在2014年,纳微科技成立不久,推出世界上首款氮化镓功率IC的原型demo。而被厂商采纳并应用于充电器材,是在2018年,由国内的ANKER PowerPort Atom PD1充电器率先采用。

 

氮化镓充电器问世后,以其出色的功率密度和充电性能很快被消费者和厂商青睐,随后,越来越多的厂商开始陆续用氮化镓材料取代基于硅基器材,生产充电器。到如今,氮化镓充电器几乎已经成了高性能充电器的代名词。

 

那么氮化镓这一第三代半导体材料究竟有什么魔力,使得充电器充电性能提升的同时还能大幅度的减小外形尺寸呢?要回答这个问题,首先我们需要了解一下充电器的工作原理。

 

充电器工作原理

 

我们以100W氮化镓某品牌手机充电器为例,根据它的的工作原理看一下氮化镓发挥的作用,红色框框圈着的构件就是氮化镓材料。

 

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首先220V交流电经过保险丝、EMI滤波电路、整流桥将它变成高压直流电,然后电流会通过一系列滤波电路、PFC升压电路(PFC控制器、PFC开关管、PFC升压电感),进入到PFC整流管里面,接下来再次进入高压滤波电解电容中,过滤掉杂波后,进入开关电源电路。

 

开关电源电路,主控芯片通过协议芯片反馈的信息控制初级开关管进行一定频率开关,搭配变压器输出符合要求的低压交流电,同步整流控制器控制同步整流管将低压交流电整流为低压直流电,固态电容滤除杂波。

 

最后电流通过对应的协议芯片,输出符合协议规范的稳定低压直流电进入到充电设备,整个充电过程就算完成了,手机充电的过程也就是高压交流电向低压直流电转变的过程。

 

那么氮化镓在这个工作流程中究竟起什么作用呢?

 

氮化镓开关管的作用

通过流程图我们知道,氮化镓材料在充电器中主要存在于PFC开关管和初级开关管里,所以要弄明白氮化镓的作用先明白开关管是干啥的?以及氮化镓的开关管起什么作用?

 

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先回答第一个问题——开关管是干啥的?

 

开关管顾名思义就相当于一个开关,用于控制电子流动的元件,输入高电平可以让电子自由流动,低电平电流静止。在这个过程中不断开关可以让电流变成一个高频的脉动电流。为什么变成高频脉动电流呢?

 

这里涉及到一个知识点就是,脉动电流的频率f是直接与变压器的体积大小相关,根据法拉第电磁感应定律,可以用这样一个公式(U=2π*f*N*Bm*S/√2)来表示,而各符号的对应关系是这样的。

 

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其中,铁芯横截面积S和每伏匝数N,可以决定变压器的体积,从而直接影响充电器的大小。在现实应用场景中,考虑到电路损耗、发热等各方面因素,N、S是不能随意缩小的。如果一定要把它缩小的话,比较有效的办法就是提高交流电频率f。

 

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在电压不变的情况下,最显著的方式就是提高交流电频率f,而开关管的作用就是控制交流电频率f。

 

于是接下来我们就能回答第二个问题了,氮化镓的开关管起什么作用?氮化镓开关管相比与以往的硅基开关管性能要优异很多,主要体现在以下四个方面:

1、更高的击穿强度

2、更快的开关频率

3、更低的导通电阻

4、更高的导热系数

5、更低的开关损耗

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我们对比了一下氮化镓与硅材料的开关管特性,可以得出以下结论:

1)氮化镓3.42/eV的禁带宽度意味比硅材料更高的击穿电场强度(是硅的11倍),能承受近330万V的电压而不被破坏化学结构;

2)电子迁移率更高,意味着电流通过速率更高,导通电阻越小,开关频率f也更高,从而大幅度减小变压器和其他阻容件的体积。

3)氮化镓的热导率也要高于硅,从而体现出更优越的散热性,对元件的损耗就更小。

那么氮化镓如何开关损耗的呢?

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氮化镓在硬开关中的优势上,在材料本身和器件上具有优势,一是Qg(主要是米勒电容比较小、可降低开关交越损耗;二是Coss较低,可降低结电容充放电损耗。

 

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氮化镓在硬开关中的优势上,一是拥有较低的Coss较低,可以较小死区时间,提高效率;二是拥有较低的Qrr,可以降低方向恢复损耗。

 

以上,就是氮化镓作为开关管的优越体现,概括来说就是。氮化镓这种材料主要在充电器原件中作为开关管存在,而氮化镓的开关管由于更高的击穿强度、更快的开关频率、更低的导通电阻、开关损耗以及更高的导热系数使得它能显著减少充电器其他元件设备的体积,并且让开关管的性能更优越。

从充电产品的整体来看,氮化镓的好处包括尺寸、重量和成本的减少,也包括BOM成本(其他系统元件如电容、散热器和电感器的价格)、消耗成本和冷却成本。此外呢,氮化镓替换硅器件可以同时获得更高的效率、更高的功率密度,甚至可能两者兼得。所以氮化镓会成为现在充电器的热门材料。

其他应用

除了在充电产品中的应用,氮化镓在其他领域用处也十分广泛,根据2022年5月统计数据,GaN器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子、干扰、雷达等领域;在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件、光电子等领域。

在军工电子领域,典型应用是有源电子扫描阵列雷达。下图就是搭载氮化镓材料的有源电子扫描阵列雷达。

 

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目前美国的E-2D舰载预警机就装载有氮化镓材料应用的有源电子扫描阵列雷达,除预警机外,战斗机雷达也将氮化镓技术作为未来发展的一个重要方向。2021年6月28日,美国《航空周刊》网站报道认为:当前,氮化镓(GaN)技术在战斗机雷达上的应用蓄势待发。氮化镓已是5G电子设备和大型搜索雷达当前的首选半导体,正处于过渡到战斗机火控雷达应用的潮头,有望使战斗机火控雷达实现自20世纪90年代末采用有源相控阵技术以来最大的一次性能飞跃。

 在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高,因而能节省大量电能,且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段,功率密度大,能够减少基站体积和质量。

在光电子领域,氮化镓由于它的材料特性可用于制造发光二极管与激光,基于氮化镓的紫色激光二极管被用于读取蓝光光盘。氮化镓与铟(InGaN)或铝(AlGaN)的混合,其带隙取决di于铟或铝与氮化镓的比例,可以制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管。

 

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总结

<观研报告>指出:“氮化镓可广泛应用于通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天等更高功率和更高频率领域;由于商业化进展快,将领跑第三代半导体市场。”研究机构Yole预测,到2027年,功率GaN器件市场规模有望达到20亿美元。

氮化镓作为第三代半导体材料,成名时间并不算长,应用领域也远未到边界。目前,基于氮化镓材料的技术研发和应用拓展正处于方兴未艾的阶段,可以预知的是,未来的日子里,氮化镓会走进更多领域而被我们熟知。

每一次新材料的发明和应用,都是对行业的冲击,冲击中既有挑战,也蕴藏着机遇。把握好新材料的应用对于厂商、行业、甚至国家都有巨大的发展意义。氮化镓的发展与现状就生动地诠释了这一点——如今,属于氮化镓的赛道已开启,前路还长,让我们拭目以待!