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化合物半导体

一文看懂第三代半导体氮化镓GaN在射频的应用

作者 gan, lanjie

2月 7, 2022
上月中旬,中瓷电子(003031)发布公告称,拟购买中电科技十三所氮化镓通信基站射频芯片业务等,一时间第三代半导体氮化镓GaN在射频领域的话题再度被点燃。(https://www.ab-sm.com/)
GaN是极为稳定的化合物,又是坚硬和熔点高的材料,其熔点为高达1700℃。同时,GaN有较高的电子密度和电子速度,其高电离度,也是在三五族化合物中最高的,因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。

一文看懂第三代半导体氮化镓GaN在射频的应用

资料来源:Qorvo
 
GaN目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域。微波射频具体而言,包含5G通讯、雷达预警、卫星通讯等应用;电力则包含智慧电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等。

高稳定、高频率、低功耗、小尺寸特性适合5G市场

 

一文看懂第三代半导体氮化镓GaN在射频的应用

GaN在5G应用 Qorvo
 
在稳定性与耐高温、耐高压之外,GaN同样拥有良好的导电性、导热性,因此在技术容许之后,能够有效减少尺寸,进而缩小GaN相关产品的大小。另外,相较于硅基元件,GaN拥有更高的电子密度和电子速度,元件的切换速度是硅基元件的10倍以上,这让GaN格外适合高频率、高效率的电子产品。
 
GaN适合电压40V至1200V的应用产品,尤其是汽车、工业、电信、特定的消费电子产品所需要的100V至600V电压范围,GaN正好能够发挥最大的优势。正因为如此,当5G追求高速度、低延迟,以及小型基地站时,拥有一定发展基础的GaN取代了第二代半导体GaAs,成为新的趋势。此外,GaN的射频零组件具有小尺寸的特点,能有效在5G世代中节省PCB的空间,特别是手机内部空间上,且能达到良好的功耗控制。
Yole预估2018-2024年增长率21%

一文看懂第三代半导体氮化镓GaN在射频的应用

资料来源:Yole
 
在5G产品中,GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元,CAGR达21%,这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动,而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献。

一文看懂第三代半导体氮化镓GaN在射频的应用

Qorvo 2.5-5GHz GaN RF Transistor
 
在要求高频高功率输出的卫星通讯中,市场预估GaN将逐渐取代GaAs成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS或GaAs材料相比,GaN的成本仍高,短期内大量取代的情况不易见。在GaN射频领域主要由美、日两国企业主导,其中,以美商Wolfspeed居首,住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后,国内厂商如三安光电、海特高新、华进创威在此领域有涉足,但与国际大厂等相比技术差距大。
氮化镓(GaN)技术不断发展,通过不断提高的功率密度、可靠性和缩小尺寸的增益,突破了可能的极限。GaN不再是仅用于国防/航空航天应用的技术,它在更复杂的应用中实现越来越高的频率,例如相控阵、雷达、5G基站收发器、有线电视(CATV)、VSAT和国防通信。

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作者 gan, lanjie

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