無(wú)論哪一方獲勝，它都將減少數(shù)十億噸溫室氣體排放。

能否將溫室氣體排放減少到足以減緩氣候變化的程度？答案是肯定的。事實(shí)上，這樣的改變正在有條不紊地進(jìn)行著。

從2001年左右開(kāi)始，化合物半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）掀起一場(chǎng)照明技術(shù)革命。從某些方面看，這是人類(lèi)歷史上最快的技術(shù)變革。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的一項(xiàng)研究，短短20年間，基于氮化鎵的發(fā)光二極管（LED）在全球照明市場(chǎng)中的份額已從零增長(zhǎng)至超過(guò)50%。情報(bào)咨詢(xún)公司莫多情報(bào)最近預(yù)測(cè)，LED照明會(huì)在未來(lái)7年內(nèi)，將全球照明用電量減少30%～40%。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的數(shù)據(jù)，照明約占全球用電量的20%和二氧化碳排放量的6%。

這場(chǎng)革命才剛開(kāi)始，未來(lái)很快就會(huì)躍升至更高的層次。氮化鎵不僅僅是一項(xiàng)改變照明行業(yè)的半導(dǎo)體技術(shù)，也是電力電子領(lǐng)域的顛覆性力量——該領(lǐng)域的變革也正蓄勢(shì)待發(fā)！氮化鎵和碳化硅（SiC），這兩種半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始取代硅基電子產(chǎn)品。

氮化鎵和碳化硅器件比它們正在替代的傳統(tǒng)硅器件性能更好、效率更高。全世界在用的半導(dǎo)體設(shè)備總量可謂天文數(shù)字，其中相當(dāng)一部分每天都要運(yùn)行數(shù)小時(shí)。因此，升級(jí)版器件能省下的能源將無(wú)比巨大。相較于氮化鎵LED取代白熾燈等傳統(tǒng)照明所帶來(lái)的節(jié)能量，氮化鎵和碳化硅電子產(chǎn)品的興起最終將對(duì)地球氣候產(chǎn)生更大規(guī)模、更積極的影響。

在幾乎所有必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或直流轉(zhuǎn)換為交流電的地方——例如手機(jī)和筆記本電腦的插座充電器，或?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的更大號(hào)充電器和逆變器——新一代半導(dǎo)體都會(huì)減少電力浪費(fèi)。此外，新興半導(dǎo)體在無(wú)線(xiàn)基站的功率放大器方面也具備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。人類(lèi)正努力應(yīng)對(duì)氣候變化，而氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體即將助我們消除功耗浪費(fèi)。

這是技術(shù)史上常見(jiàn)模式的新范例：兩項(xiàng)相互競(jìng)爭(zhēng)的創(chuàng)新同時(shí)取得成果。那么后續(xù)的發(fā)展可能是怎樣的呢？SiC和GaN將分別在哪些應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位？仔細(xì)審視這兩種半導(dǎo)體的相對(duì)優(yōu)勢(shì)可以為我們提供一些可靠的線(xiàn)索。

為什么電力轉(zhuǎn)換在氣候計(jì)算中很重要

在了解關(guān)于半導(dǎo)體的專(zhuān)業(yè)知識(shí)之前，我們先要探討為什么需要它們。電力轉(zhuǎn)換無(wú)處不在。它遠(yuǎn)不止于我們用來(lái)給智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和其他各類(lèi)小工具供電的小型壁式充電器。

電力轉(zhuǎn)換是將電力從可用形式轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品執(zhí)行其功能所需形式的過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換總會(huì)損失一些能量，而且由于其中一部分產(chǎn)品持續(xù)不斷運(yùn)行，故損失的能量，或者說(shuō)可通過(guò)技術(shù)升級(jí)節(jié)省下的能量是非常巨大的。試想一下：自1980年以來(lái)，美國(guó)加州的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出猛增，但電力消耗較過(guò)去基本持平，保持平穩(wěn)的最重要原因之一就是冰箱和空調(diào)的用電效率在此期間大幅提高。技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵因素是使用了基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和其他電子設(shè)備的變速驅(qū)動(dòng)器，這大大提高了效率。

碳化硅和氮化鎵的應(yīng)用會(huì)大規(guī)模減少排放。根據(jù)2007年我與普里米特 ·帕里克（Primit Parikh）共同創(chuàng)立的氮化鎵器件公司Transphorm對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)的分析，預(yù)計(jì)到2041年，僅基于氮化鎵的技術(shù)就可以在美國(guó)和印度減少超過(guò)10億噸的溫室氣體排放（數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際能源署和數(shù)據(jù)公司Statista等）。分析還表明，可節(jié)省下的能源將達(dá)到1 400太瓦時(shí)（1太瓦＝1012瓦），即美印兩國(guó)當(dāng)年預(yù)計(jì)能源消耗的10%～15%。

寬帶隙的優(yōu)勢(shì)

與普通晶體管一樣，功率晶體管可用作放大裝置或開(kāi)關(guān)。放大作用的一個(gè)重要例子是無(wú)線(xiàn)基站，它放大信號(hào)以傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。放眼全球，用于制造這些放大器中的晶體管的半導(dǎo)體，正從被稱(chēng)為“橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體”（LDMOS）的硅技術(shù)轉(zhuǎn)向氮化鎵。新技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，包括提升10%甚至更高的能效。另一方面，在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，晶體管充當(dāng)開(kāi)關(guān)而非放大器。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制。例如，在常見(jiàn)類(lèi)型的電機(jī)控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的線(xiàn)圈。這些脈沖建立起一個(gè)磁場(chǎng)，與電機(jī)定子的磁場(chǎng)相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)的速度是通過(guò)改變脈沖長(zhǎng)度來(lái)控制的：脈沖為矩形波，脈沖“開(kāi)”（而非“關(guān)”）的時(shí)間越長(zhǎng)，電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速和扭矩就越大。功率晶體管完成通斷開(kāi)關(guān)。

脈寬調(diào)制也被用于開(kāi)關(guān)電源，這是最常見(jiàn)的電力轉(zhuǎn)換案例。開(kāi)關(guān)電源為幾乎所有以直流電驅(qū)動(dòng)的個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備和電器供電。輸入的交流電壓被轉(zhuǎn)換為直流，然后直流被“斬波”為高頻交流方波。這種斬波由功率晶體管完成，后者通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉直流電來(lái)產(chǎn)生方波。方波被施加至變壓器，變壓器改變波幅以產(chǎn)生所需的輸出電壓。為獲得穩(wěn)定的直流輸出，來(lái)自變壓器的電壓會(huì)經(jīng)過(guò)整流和濾波。

這里的關(guān)鍵在于，功率晶體管的特性幾乎完全決定了電路執(zhí)行脈寬調(diào)制的能力，因此也決定了控制器調(diào)節(jié)電壓的效率。理想的功率晶體管在處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)會(huì)完全阻斷電流，即便施加的電壓很高，情況也是如此。這種特性被稱(chēng)為高電擊穿場(chǎng)，表明半導(dǎo)體能承受的最大電壓。另一方面，當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，它對(duì)電流流動(dòng)的阻力非常小。這一特征源于半導(dǎo)體晶格內(nèi)電荷（電子和空穴）的高遷移率。我們可以將擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電荷遷移率視為功率半導(dǎo)體的陰與陽(yáng)。

相比于硅半導(dǎo)體，GaN和SiC更接近理想狀態(tài)。首先，考慮擊穿場(chǎng)強(qiáng)。GaN和SiC都屬于寬帶隙半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的帶隙定義為半導(dǎo)體晶格中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，以電子伏特（eV）為單位。價(jià)帶內(nèi)的電子參與晶格內(nèi)原子的鍵合，而導(dǎo)帶內(nèi)的電子能在晶格中自由移動(dòng)并導(dǎo)電。

在具有寬帶隙的半導(dǎo)體中，原子之間的鍵能很強(qiáng)，因此材料通常能在鍵斷裂、晶體管損壞之前承受相對(duì)較高的電壓。GaN帶隙達(dá)到3.40eV，最常見(jiàn)類(lèi)型的SiC帶隙為3.26eV，而硅的帶隙只有1.12eV（見(jiàn)寬帶隙器件清單）。

遷移率的單位為cm2/（V·s）。遷移率和電場(chǎng)的乘積產(chǎn)生電子速度，速度越高意味著對(duì)于給定數(shù)量的移動(dòng)電荷，它攜帶的電流越大。硅的電子遷移率為1 450cm2/（V·s）；SiC和GaN的遷移率分別是950cm2/（V·s）和2 000cm2/（V·s）。GaN的極高遷移率使其能夠應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換和微波放大器。GaN晶體管可放大頻率高達(dá)100GHz的信號(hào)——遠(yuǎn)高于一般情況下硅LDMOS的上限，即3～4GHz。5G信號(hào)的毫米波頻率最高可達(dá)52.6GHz。當(dāng)然，這個(gè)最高的5G頻段尚未得到廣泛使用，但要知道，高達(dá)75GHz的頻率正被部署于碟對(duì)碟通信，高達(dá)140GHz的頻率正被研究人員用于室內(nèi)通信。人們對(duì)帶寬的需求是永遠(yuǎn)不嫌高的。

這些性能數(shù)據(jù)很重要，但它們并非就任意特定應(yīng)用比較GaN和SiC的唯一標(biāo)準(zhǔn)。其他關(guān)鍵因素包括設(shè)備及其集成系統(tǒng)的易用性和成本?？偠灾?，這些因素可以解釋——GaN和SiC這樣更先進(jìn)半導(dǎo)體的具體優(yōu)勢(shì)，它們會(huì)在何處，因何理由，開(kāi)始取代硅的地位，以及它們未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)呈現(xiàn)何種局面 。

當(dāng)前SiC在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域領(lǐng)先GaN， 但是GaN正在升級(jí)

2011年，美國(guó)科銳公司（Cree，后更名Wolfspeed）推出了第一個(gè)商業(yè)上可行的、優(yōu)于硅的SiC晶體管。該產(chǎn)品可阻斷1 200V特電壓，而且傳導(dǎo)電流時(shí)有著低至80毫歐姆的電阻。目前市場(chǎng)上有三種不同類(lèi)型的SiC晶體管：羅姆的溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），英飛凌、安森美、意法、科銳等企業(yè)的雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（DMOS），以及科沃的垂直結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一大優(yōu)勢(shì)是它與傳統(tǒng)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相似性。兩者的工作方式基本相同，甚至連封裝都相同。它有源極、柵極和漏極。當(dāng)器件開(kāi)啟時(shí)，電子從重?fù)诫s的n型源極流過(guò)輕摻雜的循環(huán)區(qū)，然后通過(guò)導(dǎo)電襯底“漏出”。這種相似性意味著工程師為吃透并掌握新產(chǎn)品所付出的學(xué)習(xí)成本很低。

SiC相比GaN有優(yōu)勢(shì)。SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管本質(zhì)上是“故障旁路”器件，這意味著如果控制電路因任何原因發(fā)生故障，晶體管將停止傳導(dǎo)電流。這是一個(gè)重要特性，因?yàn)樗艽蟪潭壬舷斯收蠈?dǎo)致短路和火災(zāi)/爆炸的可能性。然而，為此功能付出的代價(jià)是較低的電子遷移率，這會(huì)增加設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的電阻。

GaN也有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2000年，GaN半導(dǎo)體首次在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。它是第一個(gè)能夠可靠地發(fā)出明亮綠色、藍(lán)色、紫色和紫外光的半導(dǎo)體。但早在光電子學(xué)取得商業(yè)突破前，我和其他研究人員就已證明了GaN在大功率電力電子器件方面的潛力。氮化鎵LED因填補(bǔ)了高效照明的空白而迅速普及。但用于電子產(chǎn)品的GaN還必須證明自己優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，尤其是英飛凌用于電子產(chǎn)品的硅晶體管CoolMOS，以及用于射頻電子產(chǎn)品的硅LDMOS和砷化鎵晶體管。

GaN的主要優(yōu)勢(shì)是極高的電子遷移率。電流，電荷之流，等于電荷濃度乘以其移動(dòng)速度。因此，產(chǎn)生高強(qiáng)度電流的條件，要么是電荷濃度高，要么是電荷移動(dòng)速度高，要么是二者都高。GaN晶體管之所以獨(dú)特，是因?yàn)榱鬟^(guò)它的大部分電流來(lái)自電子的高速度而非電荷的高濃度。這在實(shí)踐中意味著，相比于Si或SiC，更少的電荷流入設(shè)備以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟或關(guān)閉，因此每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量更少了，效率提高了。另一方面，GaN的高電子遷移率可使開(kāi)關(guān)速度達(dá)到每納秒50V。這一特性意味著，基于GaN晶體管的功率轉(zhuǎn)換器能于數(shù)百千赫茲頻率下高效運(yùn)行，而Si或SiC的功率轉(zhuǎn)換器頻率約為100kHz。

總體而言，基于GaN器件的功率轉(zhuǎn)換器因其高效率和高頻率而變得又小又輕：高效率意味著散熱器更小，而在高頻下運(yùn)行意味著電感器和電容器也可以非常小。

GaN半導(dǎo)體的缺點(diǎn)之一是尚無(wú)可靠的絕緣體技術(shù)來(lái)匹配它。這讓故障安全裝置的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。為求安全，當(dāng)功率晶體管的控制電路發(fā)生故障時(shí)，它必須失效，進(jìn)入開(kāi)路狀態(tài)，無(wú)電流流過(guò)。這對(duì)于GaN器件來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鄙僭诟邏鹤钄酄顟B(tài)和載流狀態(tài)下都可靠的柵極絕緣體材料。所謂的“級(jí)聯(lián)耗盡模式”會(huì)是一種解決方案：使用硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）上的低電壓信號(hào)來(lái)控制高電子遷移率的氮化鎵晶體管上大得多的電壓。如果控制電路出現(xiàn)故障，F(xiàn)ET柵極上的電壓將降至零，電流傳導(dǎo)也將停止；隨著FET不再傳導(dǎo)電流，GaN晶體管也停止傳導(dǎo)，因?yàn)榻M合器件的漏極和源極間不再存在閉合電路。

有兩種選擇可實(shí)現(xiàn)這種常閉特性。一種是為晶體管配備特定柵極：當(dāng)未向柵極施加電壓時(shí)，柵極會(huì)移除溝道中的電荷；當(dāng)且僅當(dāng)施加正電壓時(shí)，柵極才能傳導(dǎo)電流。這些稱(chēng)為增強(qiáng)模式設(shè)備。另一個(gè)選項(xiàng)叫作共源共柵。顧名思義，共源共柵極是由共源極和共柵極的級(jí)聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)。它使用獨(dú)立、低損耗的硅FET來(lái)為GaN晶體管提供故障安全功能。

如果不考慮成本，關(guān)于半導(dǎo)體的任何比較都不完整。一個(gè)粗略的經(jīng)驗(yàn)法則是——芯片尺寸越小，成本就越低。芯片尺寸是指包含器件的集成電路的物理面積。

SiC器件現(xiàn)在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而，SiC的襯底和制造成本大于GaN。而且目前來(lái)說(shuō)，5kW及更高功率應(yīng)用的最終器件成本一般都相差無(wú)幾。未來(lái)趨勢(shì)可能偏向GaN，因?yàn)镚aN器件相對(duì)簡(jiǎn)單，其生產(chǎn)成本有望低到讓人不介意它芯片尺寸更大的程度。

要推動(dòng)GaN發(fā)展，讓它能適用于許多需要高電壓的大功率應(yīng)用，我們就必須創(chuàng)建額定電壓達(dá)到1 200V同時(shí)經(jīng)濟(jì)且高效的高性能GaN器件。畢竟，我們已有額定電壓1 200V的可用SiC晶體管。目前，最接近商用的GaN晶體管的額定電壓為900V，由Transphorm公司生產(chǎn)。最近，我們還展示了在藍(lán)寶石襯底上制造的1 200V器件，其電性能和熱性能均與SiC器件相當(dāng)。

英國(guó)咨詢(xún)公司Omdia預(yù)測(cè)，到2025年，1 200V碳化硅MOSFET的價(jià)格會(huì)達(dá)到每安培16美分。據(jù)我估計(jì)，由于GaN襯底的成本較低，2025年第一代1 200V氮化鎵晶體管的價(jià)格將低于碳化硅版本。當(dāng)然，這只是我的看法，我們都知道未來(lái)幾年內(nèi)將發(fā)生什么變化。

GaN與SiC的應(yīng)用

鑒于上述相對(duì)優(yōu)劣勢(shì)，我們需要逐一考慮各個(gè)應(yīng)用及其發(fā)展。

電動(dòng)汽車(chē)（EV）的逆變器和轉(zhuǎn)換器 2017年，特斯拉Model 3的車(chē)載或牽引逆變器采用了SiC。這是半導(dǎo)體的早期重大勝利。電動(dòng)汽車(chē)的牽引逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。逆變器還通過(guò)改變交流電頻率來(lái)控制電機(jī)的速度。新聞報(bào)道稱(chēng)，眼下梅賽德斯-奔馳和路西德汽車(chē)也在其逆變器中使用了SiC，其他電動(dòng)汽車(chē)制造商計(jì)劃在即將推出的車(chē)型中使用SiC。SiC由英飛凌、安森美、羅姆、科銳等企業(yè)供應(yīng)。小型電動(dòng)汽車(chē)的牽引逆變器功率通常為35～100kW，大型EV的則可以達(dá)到400 kW。

對(duì)于GaN設(shè)備的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，要打入這片市場(chǎng)，就必須拿出1 200V的器件?，F(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)的電氣系統(tǒng)通常只能在400V電壓下運(yùn)行，但保時(shí)捷Taycan擁有800V的系統(tǒng)，奧迪、現(xiàn)代和起亞的EV同樣如此。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，其他汽車(chē)制造商都將跟隨潮流。希望2025年，我們能看到第一個(gè)商用的1 200V氮化鎵晶體管。這些設(shè)備不僅會(huì)被用于車(chē)輛，還將成為高速電動(dòng)公交車(chē)的充電器。

GaN有望實(shí)現(xiàn)的更高開(kāi)關(guān)速度，這將是EV逆變器的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇祟?lèi)開(kāi)關(guān)采用了所謂的“硬開(kāi)關(guān)”技術(shù)——非常快速地從打開(kāi)切換到關(guān)閉狀態(tài)，從而最大限度地減少設(shè)備保持高電壓和通過(guò)高電流的時(shí)間。這種技術(shù)提高了逆變器的性能。

除了逆變器，電動(dòng)汽車(chē)通常還配備車(chē)載充電器，后者將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，利用壁電流為車(chē)輛充電。同樣地，GaN能給我們帶來(lái)理想充電器，原因與它能帶來(lái)理想逆變器一樣。

電網(wǎng)應(yīng)用 未來(lái)至少十年內(nèi)，SiC仍將領(lǐng)銜超高壓電力轉(zhuǎn)換——用于額定電壓3kV或更高的設(shè)備——的領(lǐng)域。這方面應(yīng)用的用途包括穩(wěn)定電網(wǎng)、轉(zhuǎn)換交流電為直流電并在傳輸級(jí)電壓下再將直流轉(zhuǎn)換為交流等。

手機(jī)、平板和筆記本電腦充電器

從2019年開(kāi)始，Transphorm、Innoscience等公司開(kāi)始銷(xiāo)售基于GaN的壁式充電器。氮化鎵設(shè)備開(kāi)關(guān)速度快，成本也普遍較低，因此成為低功率（25～500W）市場(chǎng)的主導(dǎo)者。在此類(lèi)市場(chǎng)中，速度與成本的優(yōu)勢(shì)，以及尺寸小和供應(yīng)鏈穩(wěn)健等特點(diǎn)，可以說(shuō)無(wú)比重要。這些早期的GaN功率轉(zhuǎn)換器具備高達(dá)300kHz的開(kāi)關(guān)頻率和超過(guò)92%的效率。它們創(chuàng)造了功率密度紀(jì)錄——1.83W/cm3。這個(gè)數(shù)字約為硅基充電器功率密度的2倍。

太陽(yáng)能微型逆變器 近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電在電網(wǎng)規(guī)模和分布式（家庭）的應(yīng)用中取得長(zhǎng)足發(fā)展。每個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)都需要一個(gè)逆變器將太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為家庭供電或把電能釋放到電網(wǎng)。眼下，電網(wǎng)規(guī)模的光伏逆變器是硅IGBT和碳化硅MOSFET的領(lǐng)域。但GaN將開(kāi)始進(jìn)軍分布式太陽(yáng)能市場(chǎng)。

從傳統(tǒng)上說(shuō)，在分布式光伏系統(tǒng)中，所有太陽(yáng)能電池板都有一個(gè)逆變器盒。但現(xiàn)在我們?cè)桨l(fā)偏好這樣的系統(tǒng)：每個(gè)面板都配一個(gè)單獨(dú)的微型逆變器，在為房屋或電網(wǎng)供電之前，交流電組合到一起。這樣的設(shè)置意味著系統(tǒng)能監(jiān)控每個(gè)面板的操作，以?xún)?yōu)化整體性能。

微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。它與電池組合出了一個(gè)不會(huì)停電的不間斷電源。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，調(diào)整電源的交流波形以提高效率，并消除可能損壞設(shè)備的特性。針對(duì)上述情況，GaN能提供一種低損耗且經(jīng)濟(jì)的解決方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站 GaN無(wú)與倫比的速度和極高的功率密度，最終將幫助它主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是5G和6G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以及商業(yè)和軍用雷達(dá)。這里的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是硅LDMOS器件陣列，它們價(jià)格便宜但性能更低。事實(shí)上，只要來(lái)到4GHz及以上的頻率范圍，GaN就沒(méi)有真正的對(duì)手。

對(duì)于5G和6G無(wú)線(xiàn)，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因?yàn)閹挍Q定了硬件能有效傳輸多少信息。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1GHz的帶寬，可實(shí)現(xiàn)超快的視頻傳輸?shù)裙δ堋?/p>

使用絕緣體硅（SOI）技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種5G+解決方案。方案使用高頻硅器件，其中每個(gè)器件的低輸出功率問(wèn)題都通過(guò)大量陣列來(lái)克服。GaN和硅將在此領(lǐng)域共存一段時(shí)間。系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能這三者的綜合“成績(jī)”，將決定某款應(yīng)用最終選擇GaN還是硅。

雷達(dá) 美國(guó)軍方正部署許多基于GaN電子設(shè)備的地面雷達(dá)系統(tǒng)，其中包括由諾斯洛普 · 格魯曼公司為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)打造的地面/空中任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)和有源電子掃描陣列雷達(dá)。雷神公司的SPY6雷達(dá)已交付美國(guó)海軍，并于2022年12月進(jìn)行了首次海上測(cè)試。該系統(tǒng)極大擴(kuò)展了艦載雷達(dá)的范圍，提高了靈敏度。

寬帶隙之戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始

如今，SiC是電動(dòng)汽車(chē)逆變器領(lǐng)域的主導(dǎo)者；而在考驗(yàn)電壓阻斷能力和功率處理能力的應(yīng)用場(chǎng)景下，SiC也能大顯身手。此外，頻率較低的應(yīng)用也需要它。GaN是高頻性能應(yīng)用的首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，例如壁插式適配器、微型逆變器和電源。

GaN和SiC之間的拉鋸才剛剛開(kāi)始。我們可以肯定的是，無(wú)論競(jìng)爭(zhēng)如何發(fā)展，地球環(huán)境都將因此獲益。隨著技術(shù)更替的新周期勢(shì)不可擋地發(fā)展，未來(lái)幾年我們將可以避免數(shù)十億噸溫室氣體排放。

資料來(lái)源 IEEE Spectrum

本文作者烏梅什 · 米什拉（Umesh" "Mishra）是一位學(xué)者和企業(yè)家。他是美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)員、美國(guó)國(guó)家工程院院士。2023年3月，他被任命為加州大學(xué)圣巴巴拉分校工程學(xué)院的下一任院長(zhǎng)。他也是Transphorm公司的首席技術(shù)官