GaN 這種材料,近兩年似乎常常被手機和手機周邊廠商提及,據說採用這種材料的電源適配器,高功率和小體積能同時兼得。
GaN 其實就是氮化鎵的化學式,跟 SiC 碳化矽、AlN 氮化鋁等材料被稱為是第三代半導體。
GaN 氮化鎵的纖鋅礦結構(大球為 Ga,小球為 N)
「半導體」這一名詞被使用至今已有一百多年,半導體材料也發展到了第三代,這三代半導體材料並非替代關係,它們有著不同的特性,目前在各自不同領域發揮作用。
第一代半導體材料指的是 Si 矽、Ge 鍺等,它們為我們開啟了集成電路的大門,影響至今;第二代半導體材料非常豐富,有 GaAs 砷化鎵、InP 磷化銦等等,而有機半導體也屬於第二類半導體的範疇,這些材料適合製作高速、高頻大功率和發光的電子器件,促進了無線通訊和光通訊等領域的發展。
而第三代半導體材料除了擁有更寬的能隙外,還擁有更高的熱導率、擊穿電場、電子飽和速率,以及抗輻射能力,因此適合製作高溫、高頻、大功率以及抗輻射的器件,利於射頻通訊、電力電子、雷射、電源管理等領域發展。
*註解:「能隙」也即是「能帶隙」、「禁帶寬度」,在固體物理學中泛指半導體或絕緣體的價帶頂端至傳導帶底端的能量差距。
GaN 晶體 長度約 3mm(圖:維基百科)
作為第三代半導體的 GaN,運用得比 SiC 晚些,利用它寬能隙的特點以及光譜特性,如今在 LED 照明和雷射器領域的發展已經非常成熟;而射頻器件以及功率器件也是 GaN 近期被廣泛應用的領域,特別是 5G 通訊的發展,GaN 射頻器件的使用,MIMO 天線陣列的體積和功耗都有很大幅度的改進。
近兩年,手機充電的電源適配器也吃上了 GaN 的「紅利」,讓原本高功率電源適配也能兼顧體積,這正是 GaN 材料在「功率器件」領域的應用之一。
正因為前面提到 GaN 材料的特性,電源適配器從根本上降低了開關損耗和傳導損耗,讓轉換器擁有更高的開關頻率,同時減小變壓器的尺寸,提升轉化效率,同時發熱減少了,散熱材料可以進一步縮減,電源適配器的整體尺寸自然也可以做得更小,轉換效率還更高。
市面上也有尺寸較大的 GaN 電源適配器
如今 GaN 電源適配器普及才開始普及不久,市面上高功率 GaN 電源適配器價格都在百元以上,隨著越來越多廠商入局、工藝進一步提升、供應鏈成本下降,GaN 電源適配器想必會在不久後跌破 100 元大關。