手機快充能捲到200瓦,都得給它磕頭_風聞
差评-差评官方账号-01-26 08:56
本文原創於微信公眾號:差評 作者:差評君
今年啊,手機市場不是一般的冷。
但這並不意味着手機本身沒有進化,相反,手機有些功能的進化可能聽起來一般般,但真用起來就感覺回不去了。
就像前兩天,差評君玩了玩託尼測試用的 iQoo 10 Pro,那個 200W 的充電速度着實讓人震驚,以至於這兩天用回 iPhone 經常以為充電器壞了。

快充技術的進步得益於多方面,其中一個重要原因就是用上了氮化鎵充電頭。
要説氮化鎵充電頭的魔力,自然是來源於“ 氮化鎵(GaN)”。

Emm,“ 氮化鎵 ”其實是眼下最火熱的第三代半導體的主要代表。
那什麼是第三代半導體?它憑啥這麼火?
今天差評君就好好説道説道。
其實呀,所謂的半導體是一類材料的總稱,這類材料介於導體和絕緣體之間,能在一定條件下導電。

它和芯片就好比是金屬和鐵鍋的關係,芯片是半導體材料做的,半導體可絕不只是芯片。
但半導體材料不僅僅用來做了芯片,還有其他很多用處例如作為關鍵器件來光伏發電、做節能的 LED 燈,甚至還可以用來做“ 炒酸奶 ”。

不僅如此,半導體還分一、二、三代半導體,眼下最熱門的就是第三代半導體。但大家不要誤會,這裏的一二三代之間並沒有一代更比一代強的關係,更多還是指不同類別的半導體。
最為大家熟知的就是第一代半導體絕對主力:硅( Si ),大部分芯片就是在一整片純度在 99.9999% 以上的單晶硅上刻蝕出來的。
在芯片裏,硅就發揮了有條件導電的特性,被製作成一個個微型開關( 給條件就開,不給條件就關),千千萬萬個類似的微型開關組合起來就能完成很多複雜的命令,最終完成手機、電腦的運行。
直到目前,90% 以上的半導體產品仍是以硅製作。
但是隨着人類科技發展,大家慢慢發現硅在一些領域無法完美勝任工作。

舉個例子,咱們手機裏有種叫 PA(功率放大器)的芯片,主要作用就是將手機信號放大傳輸給基站,早期廠商們就是用硅作為主要製作材料。
但隨着手機從 2G 轉入 3G 再又發展到 4G,大家用手機在網上衝浪的速度是越來越快,對 PA 傳輸要求自然水漲船高。

這種情況下,硅質的 PA 芯片就出現了一系列問題,發熱嚴重、損耗太多效率低、耐不住高電壓等等,於是第二代半導體們就走上了歷史舞台。
第二代半導體目前主要以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為主,相比於硅,它們可以更好地勝任高壓、高頻、高輻射的工作環境。
伴隨着 3G、4G 的發展,光纖通信帶來的高頻高壓工作場景越來越多,於是第二代半導體乘上了時代的東風,手機、基站都騰籠換鳥把硅給換了。
而在此之前,第二代半導體已經悄悄地走進千家萬户了,最常見的例子就是 LED 燈,第二代半導體能夠更高效地把電轉化為光,也就是用更少的電能夠發出更亮的光,所以用砷化鎵做出來的 LED 燈取代白熾燈也是前些年節能減排的代表。
在第二代半導體火了之後,對它的研究也逐漸變多,使用場景也不斷被開發。

還記得一舉之力把手機拖入劉海屏浪潮的 iPhone X 嗎?
蘋果用上劉海屏的罪魁禍首 3D 結構光技術,用到了一款 VCSEL 激光器(垂直腔面發射激光器),而製作這款 VCSEL 激光器的關鍵材料就是砷化鎵。隨着物聯網、元宇宙概念的逐步發展 ,對 VCSEL 的需求不斷增多還將持續增加對第二代半導體的需求。
但砷化鎵們的好日子還沒過多久,科技又又進步了,很多應用場景變得更高壓、更高頻、更高功率,之前的第二代半導體又不夠用了。
於是就輪到第三代半導體閃亮登場了!
第三代半導體學名其實叫“ 寬禁帶半導體”,目前以氮化鎵和碳化硅(SiC)為主。
可能你會問了,這個“ 寬禁帶 ”是什麼意思?

咱們用之前的核酸檢測做例子。
假設有個核酸檢測點爆滿了,那它和離得最近的空核酸檢測點的距離,就可以簡易地理解成禁帶。
如果中間距離小點,比如就三五百米,那不想排隊的人就直接溜達去邊上的;但如果中間距離大了,比如都有幾公里了,那除非真有足夠大的動力逼着過去,不然都只會忍忍排隊算了。
在半導體裏也是一樣的,禁帶越寬那讓電子移動所需的能量( 通常是電壓 )也就越高,所以,寬禁帶半導體就更耐高壓。
類似的,天氣太熱,大家更不願意排隊了,可檢測點距離實在遠,那大家可能忍忍也就過去了,所以寬禁帶半導體還更耐高温。

同時,寬禁帶半導體還有着“ 飽和電子漂移速度高 ”“ 二維電子氣 ”等多種優勢。
這些優勢讓第三代半導體在耐高壓、耐高温之外,還有更快的開關速度、更低的通態電阻等特性。
最終呈現出來的就是小型、高效、驅動力強的“ 小鋼炮 ”。

就像大家最常見的氮化鎵充電器,在手機廠商們內捲到拼出 200W 閃充的今天,硅就力不從心了,受不了高壓、體積又大、發熱又高、效率又低,可以説避開了每一個正確選項。
但用上了氮化鎵,問題就迎刃而解了。

在充電方面,第三代半導體的另一位主力,碳化硅也有着亮眼表現。
不過和氮化鎵充手機不一樣,碳化硅充的是新能源車。

如今城市裏代步的新能源車是越來越多了,對充電樁的需求也越來越多,但市區的地可是寸土寸金。
所以充電樁得儘可能保證充電速度的前提下,又要小巧不佔地兒,還得足夠抗水、防塵,傳統的硅基器件還是老毛病。
這時候碳化硅頂着“ 全是優點 ”的帽子走進了廠商們視野。
“ 如狼似虎 ”的廠商們巴不得分分鐘和硅劃清界限。
再多説一句,建充電樁現在已經列入國家新基建的七大領域之一。
碳化硅的未來,我只能説 2 個字。
起飛。

不光是充電樁,碳化硅還被用在了新能源車本身。
如今新能源車企為了進一步解決里程焦慮,在電池能量密度提升已經遇到瓶頸的情況下,紛紛選擇擁抱高壓快充系統——800V 高電壓平台( 簡單理解成,可以實現充電 5 分鐘,續航 200km )。
但問題也隨之而來,搭載 800V 高電壓平台的車型,意味着核心三電系統以及空調壓縮機、DCDC(直流變壓器)、OBC(車載充電機)等部件都需要在 800V 甚至 1000V 的高電壓下工作。
這種情況下,硅基器件耐不住高電壓、損耗率、開關損耗居高不下,碳化硅幾乎是當下最好的選擇。

比如特斯拉 Model 3,早早就將碳化硅用到了車子的主驅系統上,直接提升了 10% 的續航。
類似的例子咱也不多説了,反正現在熱門的物聯網、光伏、5G 等等這些行業,在使用傳統半導體時遇到的幾大痛點,剛好是第三代半導體材料的優勢。
那這不巧了嗎?
“ 第三代半導體這麼完美,取代一二代半導體一統天下就分分鐘的事了?”
想太多了。

一二三代半導體之間的關係更像是,汽車、火車和飛機,各有優勢、誰也別提取代誰。
硅的基本盤是佔據了全球 99% 以上的集成電路市場,只有第三代半導體成功“ 偷家 ”,在 CPU、GPU 領域幹掉硅,那才能算取代第一代半導體。

可目前看來第三代半導體是做不到了。
最主要的問題就是第三代半導體太難製取。
我們都知道,硅元素在在地殼中含量極高,佔比足足有 26.4% 僅次於氧(O),如今的工藝可以直接從二氧化硅礦石中提取並且高度提純。
可氮化鎵在自然界幾乎沒有,它需要在 10000 個大氣壓和 2000 度的高温下人工合成,結果就是氮化鎵晶體單片動輒上萬塊一個。
莫桑鑽就是碳化硅 ▼

碳化硅也類似,在自然界除了極少量天然莫桑石(對,就是大家瞧不上的鑽石平替“ 莫桑鑽 ”,雖然不如鑽石稀有,但用在大面積工業上也還是太奢侈了)之外,主要還是要從石油焦、石英石中經過各種複雜工藝進行製造。
對比硅來説,第三代半導體的製作又費時又費錢,甚至還不如第二代半導體省事。
儘管性能是好用,但耐不住人家便宜省事啊。
這年頭,不消費降級就不錯了,還指望升級呢?

而且就算真願意花這麼多代價去製取第三代半導體,它其實也並沒有那麼適配集成電路。
還記得前面説的,第三代半導體對比第一代半導體的優勢嗎?
耐高温、耐高壓、可承受高頻。
但問題是常見的集成電路(電腦、手機等其他民用智能設備)根本用不上這些優勢。
不僅如此,幾十年發展下來,硅所擁有成熟複雜的製作工藝、龐大的產業體系更是第三代半導體們所望塵莫及的。

製取困難、成本極高、沒有突出優勢、產業技術不成熟……這些問題也導致了第三代半導體沒法成為半導體市場的主流力量。
據研究機構 TrendForce 預測,第三代半導體的主力氮化鎵市場到 2025 年僅有 13.2 億美元,而碳化硅也就33.9 億美元。

與高達數千億美元的半導體市場相比確實不夠看,也難怪台積電董事長劉德音表示第三代半導體只是“ 特殊技術 ”。
產業不夠大,就沒有足夠的動力去推進發展技術,技術進步不了沒法應用到更廣的行業,這樣就形成了一個死循環。

不過雖然劉德音嘴上這麼説,台積電的身體卻很老實。
台積電早在 2014 年就開始在 6 英寸晶圓廠製造氮化鎵組件;
2015 年開始生產用於低壓和高壓應用的氮化鎵組件;
2017 年開始量產硅基氮化鎵組件;
去年年底有傳聞稱台積電已具備 8 英寸量產能力。
雖説目前第三代半導體還略顯小眾,但並不妨礙這是半導體材料發展的一大方向。
不發展哪能進步,誰生下來就會跑呢?

而且,我國在傳統半導體行業長期落後已經不是一天兩天。
苦苦追了這麼久,不能説毫無進步,但最多也就是略有改善。
可第三代半導體就不一樣了,作為一個新興技術,中西方站在同一起跑線。
一起開跑,咱還沒怕過誰。
不説一舉拿下下一代國際半導體生產鏈的主導權,至少總能保證不被國外卡脖子吧。
畢竟,華為的教訓已經夠深刻了。
內容來源:
馭勢資本:第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告
半導體行業觀察:你一定不知道的砷化鎵
芯論語:第三代半導體材料的“心裏話”
微型計算機:邁向全新的產業時代 三問三答第三代半導體材料
TrendForce:預估2025年動力電池對正極材料需求將突破215萬噸
未來智庫:第三代半導體專題報告:蓬勃發展,大有可為
Wikipedia:Semiconductor
