淺談氮化鎵電源的過去與未來

　　功率金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET結構和技術不斷升級，讓日常生活應用改善變得尤爲明顯。例如早年65W功率筆記本電源與板磚無異，現在ThinkPlus口紅電源僅比口紅略寬一圈，卻實現了了65W輸出功率並支持USB PD協議。

　　但ThinkPlus口紅電源仍然只是個例，使用遊戲筆記本出門的你一定感同身受，超過100W功率的電源有時候就能佔掉筆記本重量的一半，電路技術提升，更高功率需求開始讓另外一部分人對電源便攜性報以意見。

　　後來直至Anker開始批量生產基於氮化鎵電源Anker PowerPort Atom PD 1，更高功率的氮化鎵電源也提上議程，歷經數次波折之後，消費級量產氮化鎵終於能夠被買到。

　　那麼，氮化鎵電源爲什麼意義重大，它又將如何改變我們的生活？在這篇文章中，筆者會對氮化鎵電源的過去、未來進行淺析。

　　被MOSFET定義的世界

　　在描述氮化鎵電源之前，必須先說一下MOSFET。如開頭所言，功率金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET，最早出現在1976年，被用於替代雙極型晶體管（BJT）。這種多數載流子器件工作速度快，性能穩定，並具有比少數載流子器件擁有更高的電流增益，最終使得開關電源轉換器成爲商用產品。

　　有點基礎的同學一定不會對雙極型晶體管（BJT）感到陌生

　　由於硅基器件擁有高穩定性和小效率，並且成本不斷下跌，功率MOSFET本身具備低成本結構。基於硅的功率MOSFET在不斷進化中，逐漸變成了幾乎所有消費產品不可或缺的部件。

　　最早功率MOSFET被用於AC/DC開關電源，然後被用於變速電動機、熒光燈、DC/DC轉換器等等。

　　IR國際整流器公司在1978年11月推出IRF100功率MOSFET，源漏擊穿電壓100伏特、導通電阻0.1歐姆，這個參數成爲當時標杆。但因爲裸片尺寸超過40平方毫米，價格也不便宜，達到34美元，即使無視通貨膨脹，要放到現在手機電源中，恐怕主機廠們會以體積和成本爲由，有千萬個不願意。

　　玩笑歸玩笑，功率MOSFET打開的電源新局面被不斷優化，例如英飛凌的BSC060N10NS3就做到了0.072歐姆平方毫米。由於硅材料主導了半導體發展進度，英飛凌這款產品在事實上幾乎達到了硅基器件的理論極限值。

　　有趣的是，如今的IR國際整流器公司，早已變成英飛凌公司的一部分。

　　因此，就有了我們文章開頭的那一幕。無論人們對電源有諸多不滿意，出於成本和硅基器件的極限，筆記本廠商們已經無法再提供一個更小的電源，而並非網友戲說的“不思進取”。這時候，被發現、研發時間不算太長的氮化鎵元件被擺上檯面。

　　氮化鎵的過去

　　在2004年，日本優迪娜/富士通（Eudyna/Fujitsu）研發出了基於氮化鎵GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），使用碳化硅SiC襯底，採用HEMT結構。這套結構在1975年被提出，並在1994年發現氮化鋁鎵AlGaN與氮化鎵GaN異質結界面處存在異常高濃度二維電子氣。利用這一現象，優迪娜/富士通（Eudyna/Fujitsu）實現了能在千兆赫茲級的頻率範圍內產生基準功率增益。