射频原理

氮化镓 (GaN) 是一种“宽带隙”(WBG) 材料。带隙是将电子从围绕原子核的轨道中释放出来并允许它在固体中自由移动所需的能量。这又决定了固体可以承受的电场。

硅 (Si) 的带隙为 1.1 eV，而 GaN 的带隙为 3.4 eV。由于 WBG 材料允许高电场，耗尽区可以非常短或窄，因此组件结构具有更高的载流子密度并且可以非常密集地堆积。

例如，一个典型的 650V 横向 GaN 晶体管可以支持超过 800V，并且具有 10-20 µm 或大约 40-80 V/µm 的漏极漂移区。这远高于硅的理论极限，即 20 V / µm 左右。然而，它仍远低于约 300 V / µm 的带隙限制，这为未来横向 GaN 组件的世代改进留下了相当大的空间。

在器件级别，品质因数源自归一化电阻 (RDS (ON)) 和栅极电荷 (QG) 的乘积，可能比硅高 5 到 20 倍，具体取决于实施方式。通过启用更小的晶体管和更短的电流路径，可以实现极低的电阻和电容，并将开关速度提高一百倍。

为了充分利用 GaN 功率 IC 的功能，电路的其余部分必须能够在更高频率下有效工作。近年来，已经推出了适应从 65-100 kHz 到 1 MHz + 开关频率的控制 IC，并且正在开发新的控制器。微控制器和数字信号处理器 (DSP) 也可用于实现当今的软电路拓扑结构，同时针对 1-2 MHz 范围进行了优化的各种磁性材料现已上市。

GaN 功率 IC 结合了半桥拓扑（例如有源钳位反激式、图腾柱 PFC 和 LLC）中的频率、密度和效率优势。通过从硬开关拓扑更改为软开关拓扑，可以最大限度地减少初级 FET 的一般损耗方程，从而提高 10 倍频率下的效率。

GaN 使用 250-350nm CMOS 器件进行处理，用于功率处理的相对较大的特征尺寸。CPU、GPU 使用约 1V 的硅——并使用亚 10nm 工艺设备来获得用于数字处理的非常精细的特征尺寸。所以最佳点是用GaN做“功率转换”，用硅做“数据处理”。