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為明顯。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輸出功率并支持USB PD協(xié)議。
但ThinkPlus口紅電源仍然只是個例，使用游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占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。
后來直至Anker開始批量生產基于氮化鎵電源Anker PowerPort Atom PD 1，更高功率的氮化鎵電源也提上議程，歷經數次波折之后，消費級量產氮化鎵終于能夠被買到。
那么，氮化鎵電源為什么意義重大，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。
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，被用于替代雙極型晶體管（BJT）。這種多數載流子器件工作速度快，性能穩(wěn)定，并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為商用產品。
有點基礎的同學一定不會對雙極型晶體管（BJT）感到陌生
由于硅基器件擁有高穩(wěn)定性和小效率，并且成本不斷下跌，功率MOSFET本身具備低成本結構?；诠璧墓β蔒OSFET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被用于AC/DC開關電源，然后被用于變速電動機、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，這個參數成為當時標桿。但因為裸片尺寸超過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為由，有千萬個不愿意。
玩笑歸玩笑，功率MOSFET打開的電源新局面被不斷優(yōu)化，例如英飛凌的BSC060N10NS3就做到了0.072歐姆平方毫米。由于硅材料主導了半導體發(fā)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，出于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，而并非網友戲說的“不思進取”。這時候，被發(fā)現、研發(fā)時間不算太長的氮化鎵元件被擺上臺面。
氮化鎵的過去在2004年，日本優(yōu)迪娜/富士通（Eudyna/Fujitsu）研發(fā)出了基于氮化鎵GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），使用碳化硅SiC襯底，采用HEMT結構。這套結構在1975年被提出，并在1994年發(fā)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(yōu)迪娜/富士通（Eudyna/Fujitsu）實現了能在千兆赫茲級的頻率范圍內產生基準功率增益。
舉個簡單的例子，如果把我們墻壁上電源插口里的交流電看成滔滔不絕的江水，功率器件們需要拿著勺子在大江里撈水，然后變成直流電給數碼產品供電。傳統(tǒng)硅功率器件每秒鐘可能勺10下，那么氮化鎵GaN功率器件可能會以每秒40、50下的速度勺水，十分能干。
但在2004年到2009年期間，GaN晶體管基本上在耗盡型射頻晶體管上發(fā)展，并不利于功率系統(tǒng)使用，并且由于氮化鎵GaN產量稀少，價格只能用貴來形容。
直至2009年6月，宜普電源轉換公司EPC推出了第一款增強型硅基GaN HEMT，并為其注冊商標eGaN。目的很明確，他們希望設計現有功率MOSFET的替代品，因此eGaN FET本身也不需要負電壓關斷。通過使用寬禁帶半導體制造技術，確保GaN晶體管也能擁有高產量而且低成本。
很快，松下、富士通、GaN Systems、英飛凌等業(yè)界大佬宣布制造GaN晶體管，而且專門針對功率轉換市場。氮化鎵電源研發(fā)、設計、制造才總算正式拉開序幕。
新技術和產品誕生本身也伴隨著很多不確定性與反復。初創(chuàng)公司FinSix推出的Dart系列電源曾經在一段時間內被當成最有戲的氮化鎵電源，但Dart系列電源本身定價高達700元人民幣，并且設計相對普通，支持蘋果USB Type-C充電的型號還要額外購買Dart-C版本?？上В珼art-C幾乎就沒有過有貨的時候。
隨后，臺達Innergie PowerGear 60C在發(fā)布的時候曾經有傳言使用了氮化鎵GaN技術，正式售價同樣接近700元人民幣，以至于下預定訂單的用戶相信Innergie PowerGear 60C與Dart-C電源相當。但很快經過拆解發(fā)現，Innergie PowerGear 60C仍然只是使用傳統(tǒng)的硅基器件。
被稱為網紅電源的ThinkPlus口紅電源，與臺達Innergie PowerGear 60C相似，把65W功率電源壓縮成了近似于口紅大小，定價也便宜了很多，電商售價只需要200元人民幣左右，支持USB PD，兼容蘋果、戴爾等多家筆記本，以及絕大多數手機快充，可以說是當下最良心的電源。
即便如此，ThinkPlus口紅電源設計仍然基于傳統(tǒng)硅基器件功率MOSFET，只能說是現有工藝的進一步提升。事實上，X寶上也有許多小作坊式廠商在嘗試壓縮40W到65W之間的電源體積，一方面不知名，另一方面也被反映存在漏電情況，體驗不如ThinkPlus口紅電源。
這時候再回過頭來看Anker2018新品發(fā)布會宣布推出基于氮化鎵元件電源有多么不容易。率先開賣的PowerPort Atom PD 1實際體積僅比iPhone 5W原裝充電器稍大一些，擁有一個USB Type-C口，支持USB PD快充協(xié)議，功率為30W。
但也僅僅是開始，接下來Anker還會推出60W雙口、100W多口，基于氮化鎵元件的電源，消費級氮化鎵電源產品化才算在1個月前正式拉開序幕。目前為止，Anker仍然是市面唯一大規(guī)模量產、銷售消費級氮化鎵電源的廠商。
其實在軍工領域，基于氮化鎵器件早已被廣泛使用，戰(zhàn)斗機、雷達等軍事設備高效和穩(wěn)定的氮化鎵器件設備。但對于消費級功率轉換半導體器件而言，要求很明確，就是高效率、高可靠性、可控性和低成本，違背這些要求的器件不可能成為主流。
在討論電源管理技術的時候，通常會把四個問題擺上臺面，分別是：
1、是否能夠提供新功能？
2、是否容易使用？
3、對用戶是否具有成本效益？
4、是否可靠？
毫無疑問，氮化鎵晶體管實現最重要的新功能就是開關速度突破，它具有比硅更高的臨界擊穿電場，能夠承當從漏極到源極更大的電壓，這也使得導通電阻比硅基MOSFET更小，并且效率更高、速度更快。
氮化鎵電源仍然是基于現有硅基MOSFET設計，在結構和應用上能夠直接復制，讓工程師、廠商上手更為迅速，對于消費者而言，除了氮化鎵電源體積更小之外，沒有任何上手和使用門檻。
目前氮化鎵晶體管可以在150毫米直徑的襯底上制造，很快就能發(fā)展到200毫米直徑襯底，特別是氮化鎵晶體管使用的是標準硅襯底，可以做到與相同襯底制造上不會增加成本，但由于氮化鎵晶體管需要的面積更小，成本相對會更低。
而隨著需求不斷上升，產線投產，外延生長、晶圓制造成本都會進一步降低，特別是簡單的氮化鎵晶體管結構制備工藝比現有技術的功率MOSFET少很多工藝處理步奏。
重點是，氮化鎵技術才剛剛開始，它距離理論極限還很遠，現在的氮化鎵電源在多年之后往回看，一定也顯得非常原始。
在上個世紀70年代，功率MOSFET設計者相信會有一個技術完全取代雙極型晶體管，現在功率MOSFET確實在改變人們的生活，并催生出了新應用和新市場。氮化鎵技術可能就會是下一個轉折點，隨著越來越多氮化鎵晶體管設計進入市場，硅基氮化鎵外延生長技術成熟，我們很快會發(fā)現游戲筆記本電源可以很小，甚至不需要，通過機身自帶的氮化鎵電源，只延伸出插口向交流電取電，干掉外置電源本身，也是完全有可能的。
