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OPPO首發,小米、華為跟進:氮化鎵技術成旗艦手機標配?
2020-04-10 06:49:02來源:閱讀:-

在2月13日,小米公司CEO雷軍在介紹完小米10之后,頓了頓,宣布了一個新的充電頭。


這個充電頭支持小米65W快充,但比標配充電頭小了一倍,并且發熱更低。


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這,就是氮化鎵(GaN)充電頭,未來旗艦的標配。


何為氮化鎵


在科普氮化鎵之前,我們先要去了解一下關于電流的普通知識。


眾所周知,隨著手機屏幕的增大和處理器性能的增加,對手機本身的電量儲備和充電時間也提出了高要求。如何“又快又好”成為了手機續航的重要問題。


有需求就要有研發,在過去的幾年內,高通、華為、OPPO等廠家分別推出了自己的充電協議,并且不斷迭代。

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就連一貫“五福一安”的蘋果,也在iPhone 8上支持了PD快充協議,充電速度的問題,暫時得到了解決。


那么第二個問題就隨之而來了:充電設備的體積。


顧名思義,如果充電功率等同的情況下,體積越大的充電器,散熱必然就越好。如果一個充電器不做好安全協議就貿然縮小體積,就會有火災等隱患。


而更深層的原因,則是充電器的結構。


手機充電器功率還沒有那么高的時候,由于結構簡單,采用的普遍是反激拓撲結構。而這其中,最重要的,就是FET的開關頻率。


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FET(場效應晶體管),就是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。


我們常常聽說的FinFET工藝就是FET中的一種,它將傳統晶體管的平面狀態變成了魚鰭狀(Fin),大大提高載流子的遷移效率。


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言歸正傳,對于普通的充電器而言,用上百kHz的開關頻率切換FET的開關狀態就已經足夠。而且開關頻率越高,體積就會越小。


但問題在于,盲目提高開關頻率,很容易導致電源變熱,發生危險。


而人們為了解決這個問題,采取了很多辦法:增加漏感能量的電容、實現零電壓開啟FET(ZVS技術)。


而氮化鎵,就是在這個時候出場。


傳統的FET都是基于硅制造的,但相比硅材料,氮化鎵(GaN)是一種極穩定的化合物,它的堅硬性好,熔點高,電離度高。


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而如果我們能用氮化鎵材質的FET去取代硅材料,那么氮化鎵電離性好、熔點高的優勢,可以讓開關頻率變得更高,將體積縮小一半左右。


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總結來看,氮化鎵相比傳統的硅材料,有三個顯而易見的優勢:


(1)禁帶寬度大、導熱率高,能夠承載更高的能量密度,可靠性更高;

(2)較大禁帶寬度和絕緣破壞電場,使得器件導通電阻減少,有利于提升器件整體的能效;

(3)電子飽和速度快,以及較高的載流子遷移率,可讓器件高速地工作。


2014年,日本名古屋大學教授赤崎勇、天野浩和美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授中村修二因發明藍光LED而獲得諾貝爾物理獎。其中氮化鎵正是推動了藍光LED向前發展的重要新型材料,足以說明學界對氮化鎵的認識。


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氮化鎵的前景


實際上,早在三十年前,氮化鎵就已經在LED上進行了普遍應用。直到近年來,才逐漸引入到手機上。


作為“第三代半導體材料”,氮化鎵在光電子、高溫大功率器件上都有著優秀的表現。F22上的相控陣雷達中就大量應用了氮化鎵的射頻器件。


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今年可以說是氮化鎵的爆發之年,小米10率先推出了低價版的氮化鎵充電器。而根據可靠線報確認,也會在P40隨機附贈氮化鎵充電器。


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但在手機領域,氮化鎵之所以越來越出名,絕不僅僅是因為快充,而是5G時代的到來。


眾所周知,5G屬于高頻率的通訊場景,5G方案的頻段相對于目前主流的4G頻段更高。而美國力推的“毫米波”其頻率則要更進一步。對于這種高頻需求,傳統的硅質似乎已經捉襟見肘。


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隨著今年5G手機的大規模推出、以及各國5G基站的鋪設,和現有的硅和砷化鎵的解決方案比起來。氮化鎵則能提供更好的功率以及能耗比,也更能適用于5G宏基站。


不僅如此,5G所需要的多重載波聚合,以及基站的功率放大器,氮化鎵都可以占據一席之地,通吃5G的上下游產業鏈。


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根據業內人士的預測,到2023年,氮化鎵射頻器件的市場規模將增長至13億美元,最主要的增量也是來自于基站的應用。


而除了移動通訊領域,氮化鎵可以做的還有很多。


譬如目前火熱的物聯網和機器人領域,節能、小型化、大功率必然是這一類產品發展的主旋律,而氮化鎵可以完美符合它們的需求。


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而在新能源方面也不可小覷,汽車、智能電網、太陽能發電、風電領域的控制器等需要高壓測試的環節,都缺少不了它的身影。


氮化鎵之于我們


而對于中國廠商而言,氮化鎵也是一個“彎道超車”的機遇。


由于眾所周知的原因,在第一代半導體的“硅”(主要解決數據運算、存儲)、二代半導體的“砷化鎵”(光纖通訊),全世界研發起點都比較早,但我國沒有享受到研發紅利。


在2016年科技部的“戰略性先進電子材料”重點專項,其中就明確要求:實現以自主可控的氮化鎵基射頻器件和電路成套技術,推動我國第三代半導體在射頻功率領域的可持續發展。


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如小雷所說,氮化鎵在二十年前就已經用于LED業界,而LED領域正是我國的強項,雖然LED和射頻器件領域并不太重合,但我國還是具備了一定的先發優勢。


而在先發優勢之下,我國取得了不錯的成績:2010年可自行研發生產氮化鎵晶片、成本相比國際同行低廉很多。技術代差也從一代半導體的十年縮小到了三年。


并且,我國正在針對氮化鎵的上下游進行全方位的攻關:上層的基底材料(如納維科技)、中層的器件模組(如英諾賽科)、以及下層的系統和應用。近年來,隨著氮化鎵市場的擴大,各個環節都出現了大量的國內廠商。


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當然,半導體產業化絕非一朝一夕之功,5G的生態建設也注定會有挫折困難。但小雷相信在未來,我們聽到“國產氮化鎵”這個名字的機會將會越來越多。

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