宗熙先生:什么是氮化镓(GaN)?它有哪些优势和用途?

图片

一、前言

多年前,对于大多数数码爱好者朋友来说,手机充电器是一个毫不起眼,没有什么技术含量的配件。

但是,这几年技术发展很快,“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”,氮化镓充电器逐渐发展成为主流。充电越来越快,综合体验越来越好,价格也越来越贵,至此,充电器摇身一变,也成为了“高科技”产品。

本文小编将简要地向大家介绍一下什么是氮化镓和氮化镓充电器。

二、什么是氮化镓?

图片

氮化镓的英文全称是“Gallium Nitride”,简称“GaN”。简单来说,它是一种由氮和镓两种元素所组成的化合物半导体材料,其晶体结构主要是纤锌矿结构和闪锌矿结构。镓原子和氮原子以四面体配位的方式相互连接,这种特殊结构使氮化镓材料拥有某些独特的物理性质。

图片

三、氮化镓的优势

氮化镓的主要优势是具有宽带隙,其带隙宽度约为3.4eV,这一特性使得氮化镓材料在高功率、高温、高频率等应用场景下表现出色。

与各种常见、传统的半导体材料(比如硅)相比,氮化镓的带隙更宽,电子迁移率更高。从而使电子在材料内部能够更快速地移动,因此,基于氮化镓的电子器件能够实现更高的开关速度和更低的导通电阻。

图片

四、氮化镓充电器

氮化镓充电器的工作原理非常简单,交流电首先通过整流电路转换为直流电,然后,通过氮化镓功率晶体管等器件进行功率转换。氮化镓功率晶体管的高开关速度和低导通电阻特性使得充电器能够在高频下工作,从而可以减小变压器和电感等磁性元件的体积。

图片

比如,传统的硅基充电器工作频率一般在几十kHz到几百kHz之间,而氮化镓充电器的工作频率可以达到MHz级别,高频工作使得充电器可以采用更小的电感和电容,从而可以把充电器的体积做得更小。

除此之外,由于氮化镓材料的以上优势,氮化镓充电器还可以减少充电过程中的功率转换能量损耗,还可以减少热量的产生。也就是说,氮化镓充电器的充电速度更快,使用寿命更长,更利于节能环保。

图片

五、其它用途

写到这里,小编需要补充,强调的是:本文是面向“普通”数码科技爱好者朋友的科普文章,所以提到氮化镓,主要是介绍的是氮化镓充电器。

图片

但是,氮化镓的用途远远不止于此,远远不止在消费级产品领域,它在很多商用、工业领域也有很多的用武之地,下面简单地举两个例子。

比如,它可以用来制造氮化镓功率晶体管(上图),它具有更高的击穿电压和更低的导通电阻。在相同的击穿电压要求下,氮化镓功率晶体管的尺寸可以比硅基晶体管小很多。在服务器电源、电动汽车充电桩等大功率应用场景中,氮化镓功率晶体管的优势更加明显。

图片

此外,氮化镓还可以用来制造氮化镓射频器。由于其高电子迁移率和宽带隙特性,氮化镓射频器件能够在高频下工作并且具有较高的输出功率。例如,在5G通信基站中,氮化镓射频功率放大器能够提供更高的增益和更高的效率。

六、小编总结

总的来说,氮化镓是一种特性优异的高性能半导体材料,在电子器件特别是充电器领域展现出巨大的优势和广阔的应用前景,随着未来技术不断进步,预计氮化镓还将有更多、更重要的用途。