射频原理

电力电子的基本组成部分

氮化镓 (GaN) 正在为整个电力电子领域带来创新转变。几十年来，硅基 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）一直是现代世界中不可或缺的一部分，有助于将能量转化为电能。然而，我们已经达到了硅 MOSFET 可以改进多少、能效如何的理论极限。随着功率密度和效率要求的提高以及环境污染法规的趋势，硅无法满足这些现代需求。

氮化镓正逐渐取代硅成为电源开关技术的支柱，因为它可以通过更好的电源系统效率、性能和系统成本来满足不断增长的需求。

什么是氮化镓？

氮化镓是一种二元 III/V 直接带隙半导体，非常适合能够在高温下工作的大功率晶体管。自 1990 年代以来，它已普遍用于发光二极管 (LED)。氮化镓发出蓝光，用于蓝光光盘读取。此外，氮化镓用于半导体功率器件、射频元件、激光器和光子学。未来，我们将在传感器技术中看到 GaN。

2006 年，增强型 GaN 晶体管（有时称为 GaN FET）开始通过使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在标准硅晶片的 AIN 层上生长一层薄薄的 GaN 来制造。AIN 层充当衬底和 GaN 之间的缓冲层。

这种新工艺使氮化镓晶体管能够在与硅相同的现有工厂中生产，使用几乎相同的制造工艺。通过使用已知的工艺，这可以实现类似的低制造成本，并降低采用性能大大提高的更小晶体管的障碍。

为了进一步解释，所有半导体材料都具有所谓的带隙。这是固体中不存在电子的能量范围。简单地说，带隙与固体材料的导电能力有关。氮化镓的带隙为 3.4 eV，而硅的带隙为 1.12 eV。氮化镓更宽的带隙意味着它可以承受比硅 MOSFET 更高的电压和更高的温度。这种宽带隙使氮化镓能够应用于光电大功率和高频器件。

与砷化镓 (GaAs) 晶体管相比，能够在更高的温度和电压下工作，这也使得氮化镓成为微波和太赫兹 (ThZ) 器件的理想功率放大器，例如成像和传感，上述未来市场

GAN的主要优势：

减轻重量

缩小尺寸

降低成本

提高能源效率

氮化镓的优点

GaN 器件的价值主张包括四个要点：

1,降低能源成本——由于 GaN 半导体本质上比硅更高效，因此以热量形式消耗的能量更少，从而导致系统尺寸和材料成本更小。

2,更高的功率密度（更小的体积） ——比硅更高的开关频率和工作温度导致更低的冷却要求、更小的散热器、从液体冷却到空气冷却的转换、消除风扇和减少磁。

3,更高的开关频率——GaN 器件的更高开关频率允许在电源电路中使用更小的电感器和电容器。电感和电容与频率成比例缩小——频率增加 10 倍会导致电容和电感减少 10 倍。这可以导致重量和体积以及成本的巨大减少。此外，更高的频率可以降低电机驱动应用中的噪声。高频还能够以更高的功率、更大的空间自由度和更大的发射接收气隙进行无线电力传输。

4,降低系统成本——虽然 GaN 半导体的成本通常高于硅，但通过使用 GaN，可以降低无源电感和电容电路元件、滤波器、冷却等其他组件的尺寸/成本，从而降低系统级成本。节省范围10-20%。