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2021-04-14
张虎豹
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作者 Barry Manz, Mouser Electronics
GaN赢在哪里
下面列出GaN的几个突出优点：
1.有源相控阵(AESA)雷达和电子战(EW)系统：这些是碳化硅衬底氮化镓（或者是金刚石衬底）晶体管或者单片微波集成电路（MMIC）的关键应用，而且多年来已经成为这个领域的事实标准，因为当前或再过几年都没有其他技术可以可供碳化硅衬底氮化镓的功率密度和其他优势。
下图显示了Ka波段砷化镓和碳化硅衬底氮化镓MMIC射频功率放大器（如图2所示）的构成。两者都由TriQuint制造。每个放大器在30GHz提供6W射频功率，不过，氮化镓所需的有源器件更少，所以MMIC只需要一个简单的四路功率合成器。砷化镓MMIC放大器需要更多的器件而且电路更复杂，因为它必须包含32路功率合成器，它影响了MMIC的最终尺寸。砷化镓 MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小，而GaN 放大器则大约是生米粒大小。
图2：砷化镓 MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小，而GaN 放大器大约是生米粒大小。
显然笼统来看这两个器件都不大，但当考虑应用的时候例如相控阵雷达时氮化镓的优势就很明显了。AESA雷达可能有70000个部件，每一个由基于MMIC的发射/接收模块伺服，相对于砷化镓MMIC来说，氮化镓MMIC的尺寸可以更小，再结合氮化镓的高功率输出和更高的工作频率，氮化镓q器件在相控阵雷达中取代砷化镓是理所当然的了。
2.工作在4 GHz以上大功率、宽带系统：除了氮化镓没有其他技术可以提供这些系统所需要的性能。从非常小的用于卫星通信合成孔径终端(VSATs)到更高频段的微波链路，氮化镓将是其不二的选择。
3.一些低噪声放大器(lna)：尽管GaN和GaAs在噪声性能方面不分伯仲，但是GaN可以处理已经失真或失效的更大幅度信号。氮化镓在这些低噪声放大器领域不会很快取代砷化镓、硅锗(锗硅)或任何其他技术。然而在处理高电平信号时，GaN有其独特的优势。
4.高功率射频开关和其他控制组件：GaN的高击穿电压和电流处理能力使其比基于砷化镓MMIC更适合做开关。它们也可以工作在高效宽带领域，它们有相同的低插入损耗和高隔离的PIN二极管开关，可以处理更高功率且电流消耗低，TriQuint的TGS2354 碳化硅衬底氮化镓 SPDT反射开关裸片（图3）覆盖了500MHz到6GHz频段，可处理40 W射频功率，开关速度不到50 ns，亏损仅为0.8 dB或更少并且隔离度大于25dB。
图3：TriQuint的TGS2354 GaN-on-SiC开关die适合适合大功率应用的要求。
前途一片光明
假如将GaN在RF领域的发展分成几个章节；在第一章完成初始开发之后，现在我们刚刚完成了第二章。到目前为止,已经建立了一个商业市场,已经确定了设备可靠性和制造能力，晶圆尺寸已经达到6英寸，许多公司已经展示了材料的潜力，这一切都在2000年前后实现，自从1980年代开始发展砷化镓MMIC以来，这是取得的最瞩目的成就。
在接下来的章节中，GaN将开始获取更多发展潜力。热管理技术，其技术进步的主要因素是解决使用金刚石作为衬底和热辊材料（在铝-金刚石模型复合材料中），散热片的进步通过使用高导热系数的材料和其他技术。这些其他方法可让功率密度增加。而今天晶体管门功率密度实际是低于10 W / mm(砷化镓不超过1.5 W /毫米)，现在一个非常简单的器件就可以有高达
图4：Cree的碳化硅HEMT可提供比硅和砷化镓晶体管更大的功率密度和更宽的带宽。带宽的系列范围从10 Mhz通过18Ghz。
氮化镓就像之前的砷化镓一样，在国防系统中将是至关重要的，主要用于但不限于AESA雷达和电子战以满足下一代需求。有几个非常大的项目在未来或多或少都依赖它。因此,氮化镓MMIC在商业市场将激增并且国防承包商将开始部署它们。GaN在商业应用未来如无线基础设施一样绝对是前途一片光明，但进一步的接受程度取决于其成本是否进一步降低。
简而言之，氮化镓现在才是刚刚发力，十年内其前途辉煌。整个发展故事值得好好读读，随着GaN所向披靡，那么砷化镓和LDMOS终将会成为历史。
作者简介
Barry Manz 是Manz Communications（曼兹通信公司）的总裁，他曾与100多家公司在射频、微波、国防、测试和测量、半导体、嵌入式系统、光及其它市场进行过合作。他是电子防御期刊、军用微波文摘的编辑，是微波和射频杂志的主编。
(mbbeetchina)
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