使用GaN(氮化镓)的AC适配器是什么

这是介绍搭载被称为下一代半导体的GaN(氮化镓)IC的AC适配器和开关电源的页面。UNIFIVE开发的USB-PD适配器中采用了该技术。

下一代半导体，搭载GaN的AC适配器是什么？

什么是GaN？

　最近在大型电器商店经常可以看到搭载GaN PD的USB AC适配器，其中的“GaN”是指氮化镓，是给功率电子领域带来创新变革的下一代备受关注的材料。在几十年的时间里，以硅为基础的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）一直在电力变换中扮演着重要角色，是现代日常生活中不可或缺的技术。然而，这种常见的硅MOSFET在改良和提升电力效率方面存在理论上的极限，随着现代技术的发展，几乎已经达到了难以再提高的水平。

　此外，近年来对电力密度和电力效率的要求日益提高，在发达国家主导下，为了遏制环境污染，各种法规正在陆续推出。在这种重视环保的趋势中，硅是一种难以应对这种需求的材料。相比之下，氮化镓因具有满足对电力系统效率、性能和电力密度提升要求的特性，正逐渐被视为替代硅的下一代功率转换技术的核心材料。

那么，氮化镓是什么？

　氮化镓在自然界中不以元素形式存在。它通常是在从铝土矿提炼铝或加工闪锌矿生产锌的过程中作为副产品获得的，因此，在提取和精炼时的二氧化碳排放量非常少。每年全球生产的镓超过300吨，埋藏量估计超过一百万吨。由于其作为副产品获得，价格相对便宜，每千克大约300美元，与每千克约6万美元的黄金相比，价格仅为其1/200。

除了环境方面的优势以外，氮化镓还是属于III-V族的直接带隙型半导体，适用于高温下也能正常工作的高功率晶体管材料。

GaN的历史

　纯镓的熔点仅为约30℃，在人体正常体温下可在手掌中融化。直到大约65年后的1940年代才首次合成氮化镓，直到1960年代才成功制备出氮化镓的单晶膜。作为化合物的GaN熔点高于1,600℃，比硅的熔点高出200℃以上。

　1972年，掺杂了镁的GaN系LED诞生，这是一个突破性的发展。虽然在初期其亮度尚不足以达到商用标准，但它是第一种能够发出蓝紫光的LED。

　从1990年代开始，氮化镓被广泛应用于发光二极管（LED）中。氮化镓发出蓝色光，这种光用于读取蓝光光盘。此外，氮化镓在半导体功率器件、射频组件、激光器、光电技术等方面也被使用。未来预计也会被应用于传感器技术领域。

　2006年，开始使用有机金属气相沉积法（MOCVD）在标准硅晶圆的AIN层上生长GaN薄膜，制造增强型GaN晶体管（也被称为GaN FET）。AIN层作为基板与GaN之间的缓冲层发挥作用。这种新方法使得氮化镓晶体管可以在与硅相同的工厂内，使用几乎相同的制造过程生产。由于可以利用现有的工艺，因此能够实现与硅同等低成本的制造，降低了引入性能显著提升的小型晶体管的门槛。具体来说，所有半导体材料都具有称为“带隙”的特性，这是指固体中电子状态无法存在的能量范围。简单来说，带隙决定了固体材料是否能导电。硅的带隙为1.12 eV，而氮化镓的为3.4 eV。较大的带隙意味着氮化镓比硅MOSFET能承受更高的电压和温度。

　正是由于拥有如此宽的带隙，氮化镓可以应用于光电子领域的高功率·高频率器件。由于氮化镓比砷化镓（GaAs）晶体管能在更高的温度和电压下运作，因此被认为是适合于图像处理、感测等微波设备与太赫兹（THz）设备的功率放大器的理想材料。

GaN的优势

　将这种能应用于光电子领域高输出、高频设备的GaN材料用于AC适配器会带来哪些优势呢？以下将说明将GaN应用于AC适配器的优点：

　一般来说，GaN常被与使用硅材料的产品相比较。现行主流的以硅为基础的MOSFET广泛应用于AC/DC电源、DC/DC转换器、电机控制设备等从几十瓦到数千瓦不等的电力开关领域，其封装、导通电阻RDS、额定电压和开关速度等特性也在不断得到改善。

　然而，使用硅材料的半导体性能如今已接近理论极限，进一步的提升已非常有限。相比之下，基于氮化镓的电力器件是具有高临界电场强度的高电子迁移率晶体管。其电子迁移能力显著优于硅，因此在导通电阻和击穿电压相同时，GaN器件可以比硅半导体做得更小。

　GaN FET具备低损耗、高效率所需的高速切换性能和优异的反向恢复特性。目前已广泛提供600/650V等级的GaN FET产品。

　应用于AC适配器的优势大致可以分为以下三点：

散热效果

　GaN材料由于具有较宽的带隙，相较于硅具有更高的热导率。这一特性使得采用GaN的设备能够在更高的温度下运行，并实现更有效的散热，从而使AC适配器维持低温状态，保护其不受热损伤。

高功率密度实现小型化

　由于其开关频率和工作温度高于硅材料的部件，使得可以缩小散热器的尺寸、取消用来空冷的风扇，减少磁性器件等。GaN部件开关频率越高，所需的电感器与电容器尺寸亦可相应缩小。也就是说，可以减少AC适配器内部电子部件的数量，从而缩小整体机身尺寸。

降低噪音，实现无线电力传输

　频率越高，在电机驱动的应用中音响噪声就越小。同时，高频率也实现了更高输出的无线电力传输，增加了空间自由度，可以扩大发射与接收之间的空气间距。目前，这项技术也正应用于电动汽车的充电设备研究中。

由Unifive开发的搭载GaN的AC适配器

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