深度：硅时代将落幕？第三代半导体材料时代来临【附下载】| 智东西内参

▲Si 功率器件开关速度慢，能量损耗大

▲ GaN 开关速度快，可大幅度提升效率

GaN 在微波射频领域主要优势在于高效率、大带宽与高功率。为射频元件材料，GaN 在电信基础设施和国防军工方面应用已经逐步铺展开来。

更高效率：降低功耗，节省电能，降低散热成本，降低总运行成本。

更大的带宽：提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

更高的功率：在 4GHz 以上频段，可以输出比 GaAs 高得多的频率，特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

▲GaN 器件在电力电子领域与微波射频领域的优势

3、GaN 市场：射频是主战场，5G 是重要机遇

GaN 是射频器件的合适材料。目前射频市场主要有三种工艺：GaAs 工艺，基于 Si 的 LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）工艺，以及 GaN工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低，低于 50W。LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在 3GHz 以下。GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷，在体现 GaAs 高频性能的同时，结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。

在射频 PA 市场， LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，采用 0.25 微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍，带宽可增加 20%，功率密度可达 6~8 W/mm（LDMOS 为 1~2W/mm），且无故障工作时间可达 100 万小时，更耐用，综合性能优势明显。

▲使用 GaN 前后的效率对比

在更高的频段（以及低功率范围），GaAs PA 是目前市场主流，出货占比占 9 成以上。GaAs RF 器件相比，GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面，GaN 的带隙电压高于 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV） GaN 器件具有更高的击穿电压，能满足更高的功率需求。热导率方面，GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs，这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中，散热性更好。

▲多级 GaAs 功率放大器和等效 GaN 功率放大器的比较

▲GaN 优势在于带隙宽度与热导率

GaN 是 5G 应用的关键技术。5G 将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件，GaN 的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正是这一优势，使得 GaN 成为 5G 的关键技术。

在 Massive MIMO 应用中，基站收发信机上使用大数量（如 32/64 等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，使得器件的尺寸大小很关键，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比 3G、4G 时代，5G 时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应用上，GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。

▲GaN 在 5G 时代应用广泛

▲GaN 材料 5G 基站发展趋势

GaN 在电力电子器件领域多用于电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高的工作频率，加之可承受电压要低于 SiC 器件，所以 GaN 电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

（编辑：52刷机网）

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