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(fā)熱更低。

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(guān)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(xù)航的重要問題。

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

就連一貫“五福一安”的蘋果，也在iPhone 8上支持了PD快充協(xié)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(shè)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(xié)議就貿(mào)然縮小體積，就會有火災(zāi)等隱患。

而更深層的原因，則是充電器的結(jié)構(gòu)。

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

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

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

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

但問題在于，盲目提高開關(guān)頻率，很容易導(dǎo)致電源變熱，發(fā)生危險。

而人們?yōu)榱私鉀Q這個問題，采取了很多辦法：增加漏感能量的電容、實現(xiàn)零電壓開啟FET（ZVS技術(shù)）。

而氮化鎵，就是在這個時候出場。

傳統(tǒng)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(wěn)定的化合物，它的堅硬性好，熔點高，電離度高。

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

總結(jié)來看，氮化鎵相比傳統(tǒng)的硅材料，有三個顯而易見的優(yōu)勢：

（1）禁帶寬度大、導(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(fā)展的重要新型材料，足以說明學界對氮化鎵的認識。

氮化鎵的前景

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

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

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

但在手機領(lǐng)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(tǒng)的硅質(zhì)似乎已經(jīng)捉襟見肘。

隨著今年5G手機的大規(guī)模推出、以及各國5G基站的鋪設(shè)，和現(xiàn)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(jù)一席之地，通吃5G的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的預(yù)測，到2023年，氮化鎵射頻器件的市場規(guī)模將增長至13億美元，最主要的增量也是來自于基站的應(yīng)用。

而除了移動通訊領(lǐng)域，氮化鎵可以做的還有很多。

譬如目前火熱的物聯(lián)網(wǎng)和機器人領(lǐng)域，節(jié)能、小型化、大功率必然是這一類產(chǎn)品發(fā)展的主旋律，而氮化鎵可以完美符合它們的需求。

而在新能源方面也不可小覷，汽車、智能電網(wǎng)、太陽能發(fā)電、風電領(lǐng)域的控制器等需要高壓測試的環(huán)節(jié)，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(dǎo)體的“硅”（主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲）、二代半導(dǎo)體的“砷化鎵”（光纖通訊），全世界研發(fā)起點都比較早，但我國沒有享受到研發(fā)紅利。

在2016年科技部的“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項，其中就明確要求：實現(xiàn)以自主可控的氮化鎵基射頻器件和電路成套技術(shù)，推動我國第三代半導(dǎo)體在射頻功率領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

如小雷所說，氮化鎵在二十年前就已經(jīng)用于LED業(yè)界，而LED領(lǐng)域正是我國的強項，雖然LED和射頻器件領(lǐng)域并不太重合，但我國還是具備了一定的先發(fā)優(yōu)勢。

而在先發(fā)優(yōu)勢之下，我國取得了不錯的成績：2010年可自行研發(fā)生產(chǎn)氮化鎵晶片、成本相比國際同行低廉很多。技術(shù)代差也從一代半導(dǎo)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(guān)：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(tǒng)和應(yīng)用。近年來，隨著氮化鎵市場的擴大，各個環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了大量的國內(nèi)廠商。

當然，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化絕非一朝一夕之功，5G的生態(tài)建設(shè)也注定會有挫折困難。但小雷相信在未來，我們聽到“國產(chǎn)氮化鎵”這個名字的機會將會越來越多。

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