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让小米充电器改头换面,让雷军赞不绝口,这个新材料技术凭什么?

爱范儿 · 2020-03-10
GaN 被誉为第三代半导体材料

编者按:本文来自微信公众号“爱范儿”(ID:ifanr),作者:雷健恒,36氪经授权发布。

我以前是码农,当时每天都背着笔记本电脑,最恨带「铁疙瘩」充电器,又丑又大又重。看看今天的 GaN 充电器,唇膏大小,实在太方便。

这是雷军在小米 10 发布会上,发布一款 GaN(氮化镓)充电器时所说的一句话。

这款功率达到 65W 的充电器,大小却做到了同功率充电器的三分之一,再加上不高的价格,以及小米配件自带宣传加成的影响,这款产品发布后的声量甚至比得上这场发布会真正的主角。

左边为小米 65W GaN 充电器. 图片来自:新浪微博 @雷军

当然了,在小米推出之后,也让 GaN 充电器这个品类走向了更多人面前,也有越来越多人感到疑惑,GaN 到底是个什么玩意儿?为什么能够把充电器做小?

氮化镓是怎么把充电器缩小的?

首先我们来认识一下什么是氮化镓。

从分子式 GaN 来看,它是一种氮(V)和镓(III)的化合物,而这种化合物并非在最近才被人们发现的。在九十年代的时候,氮化镓就被用于发光二极管当中。

来自日本名古屋大学的赤崎勇、天野浩以及来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校的中村修二就是应用了氮化镓材料在 1993 年时研发出了具有商业价值,可以发出蓝色光的 LED(是的,没看错,在此之前的 LED 能发出红、橙、黄、绿,就不能发出蓝色光)从而获得了 2014 年的诺贝尔物理奖。

然而就像开头说的那样,真正将这种材料带到大众消费者面前的,却是一种普通得不能再普通的产品,充电器。

那么氮化镓为什么可以把充电器做小?

氮化镓具有下列的特点:

电阻低,电导损耗小

开关频率高

禁带宽度大

化学性能稳定

抗辐照能力强

而这些特点当中的前三个,完全可以说是为了充电器而生的。

电阻更低,电导损耗更小这点很容易理解,具体表现就是应用在充电器上,工作时发热量会更低,一来降低能源的损耗,二来也更加安全。

开关频率指的就是充电头内部的晶闸管等电子元件, 完全导通、闭合的频率。如果这个频率更高的话,充电器内部的变压器和电容就可以相应地减小体积,而这两个元件又占着充电器体积的大头,所以这个特性能够很好地减小充电器的体积。

小米 65W GaN 充电器内部结构. 图片来自:充电头网

最后一个特点就是禁带宽度大。你可以把这个特点理解成抗压能力。因为禁带宽度越大的话,器件能够承受的电压以及温度就越高,这样不仅能够提高充电器的功率,还能更安全。

功率更大,体积也更小,这不就完全击中了用户在使用充电器时的痛点吗?

当然,这些优点都被厂家看在眼里了。2018 年年底,以充电宝以及充电器闻名的 Anker 就推出了他们的首款氮化镓充电器,而这款充电器也迅速地成为了这个品牌的明星产品。

「充电 5 分钟,通话两小时」的 OPPO 也在去年发布的 Reno Ace 手机上标配了一个氮化镓充电器,而这也成为了全球首款标配氮化镓充电器的手机产品。

据不完全统计,在今年年初举办的 CES 2020 上,共有 30 多家厂商推出了共 60 余款氮化镓充电器。

至于开头提及到的那个声量不亚于小米 10 的 65 W 氮化镓充电器,自 2 月 15 日发布以来,虽然经过了数次的开卖,但每次都是秒售罄的状态,在近几轮的预约上,预约人数都是保持在了十万级。

根据微制造新兴产业调研机构 Yole Development 的预测,2019 年到 2022 年,在功率元器件消费市场当中,氮化镓产品出货量的复合增长率将达到 91%,当中绝大部分将由充电器品类来推动。Yole Development 认为, 氮化镓功率产品的风口已经到来。

氮化镓的应用远不止在充电器

大家都知道,硅一直是半导体行业中的主干力量,所有电子产业的进步几乎都离不开硅材料性能研究的进展。

而在「摩尔定律」节奏下狂奔了 50 年的硅,也已经到了垂暮之年。来自哈佛大学,一直从事氮化镓研究的 Dandan Wang 表示:

从目前的研究来看,对硅性能的研究已经到达了它的极限,换言之它也成为了阻碍半导体行业发展的瓶颈。

所以,除了继续榨取硅的剩余价值之外,寻找新一代半导体材料,就成为了另一个重要方向。氮化镓,就是新材料候选人的其中之一。

第一代半导体材料以硅(Si)为代表,第二代半导体材料则是以砷化镓(GaAs)和锑化铟(InSb)为代表。而到了新的一代,也就是第三代的半导体材料当中,氮化镓(GaN)以及碳化硅(SiC)已经崭露头角。

而氮化镓则是由于可以使用硅作为衬底,成本相对更低,以及兼容性更强等优点,更是被寄予厚望。

那么这么出色的材料难道只能应用于充电器之中吗?并不。实际上,氮化镓的应用已经在影响着消费者的很多方面。

首先是在 5G 方面的应用。

同样是上面提到的禁带宽度大这个特性,氮化镓也是 5G 射频应用技术的绝配。因为禁频带宽更大,因而它可以承受更高的工作电压,这也使得氮化镓射频天线相比起其他半导体材料拥有更高的瞬时带宽。

这一点,恰恰是 5G 网络使用载波聚合技术以及高频率的载波所要达到的目的是相同的。

另外一个特点就是功率密度高。5G 的一个关键技术是 Massive MIMO。这个技术保证了 5G 连接的可靠性。但这这个技术则要求基站需要配备大量的阵列天线,而功率密度更高的氮化镓则可控制这些阵列天线的体积,这也是现在的 5G 基站可以隐藏在路灯、电线杆上的其中一个原因。

另外一个应用就是在无人驾驶技术上面。

激光雷达之于无人驾驶就相当于人的眼睛,而氮化镓就是让这双眼睛变得更加灵敏的其中一位幕后功臣。还记得上面说过的开关频率高这个特性吗?由于这个特性,使得应用氮化镓的激光雷达相比起主流应用硅元素制作的激光雷达,反应速度高出 100 倍。

虽然最终效果还会受到算力等因素影响,不能达到 100 倍的效果,但是运用氮化镓场效应晶体管的激光雷达,经过测试确实可以让这双「眼睛」的灵敏度大幅提高,物体识别精度也会更高,让自动驾驶更加安全。

当然,氮化镓的应用还不止这些方面,在超级计算机、国防、卫星等领域其实都能看到氮化镓的身影。

这么牛逼,怎么还不替代硅?

前面提到了不少关于氮化镓的好处以及它众多的应用场景,而且作为新一代半导体材料它也被寄予了厚望。

布里斯托大学物理学家 Martin Kuball 想象了一幅很美好的场景,他表示,如果将现在世界上所有的电器、电子产品中的硅都换成氮化镓的话,那么整体的功耗可以减少 25%。

当然,理想很美好,现实很骨感。Martin Kuball 想象的场景目前很难实现。最主要的原因就是:贵。

和硅不一样,氮化镓这种材料不是通过挖一下矿就能拿到手的,这种材料是不存在于大自然当中的,需要通过人工合成。这从原材料上就已经注定了它的价格不菲。根据专注于半导体产业方案提供商英飞凌发表的一篇报告显示,一块 SD 卡大小的氮化镓售价就已经要三千多美元。

另外还有加工成本,因为有了氮化镓还不能直接拿来用,运用在不同领域,就要结合不同材料作为衬底。

用于充电器以及 5G 射频元器件需要用硅作为它的衬底,获了诺贝尔奖的那个蓝色光 LED 则是使用了成本更高的蓝宝石作为衬底。

氮化镓也并非是一个完美的存在,它身上也存在着一些缺陷,这些缺陷使得氮化镓应用在不同领域上时,其实需要进行大量的可靠性测试,这些测试需要的人力和物力支出也进一步转移到了成本上面。

就正如 Martin Kuball 畅想完之后给自己泼了一盆冷水时说的那样:

虽然像德州仪器这些大型半导体制造商都已经在布局氮化镓产业,但是距离这种材料的大规模商用还有很长一段时间,目前大家所看到更多的还是像充电器这种小玩意儿。要真正取代硅,要走的路还有很长。

不过,大家也不需要失望,因为这条路,50 年前的硅,也同样是这样走过来的,而现在随着更多上下游产业的支持,这条路只会更加好走。

题图来自:小米官网

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