将GaN用于射频应用的所有优势

氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙材料，在高功率射频 (RF) 应用中具有显着优势。与传统半导体（如硅）相比，氮化镓具有一些非常重要的物理和电学特性，包括：

• 击穿电压高；
  
• 高功率密度；
  
• 高工作频率和开关频率；
  
• 高效率;
  
• 优良的导热性。
  

与传统技术相比，氮化镓已被证明是射频领域多种应用的优良材料，其中可靠性、效率和减少吸收是必不可少的要求。在制造过程中，氮化镓通常在高于 1000 °C 的温度下生长在由碳化硅 (SiC) 组成的衬底上（在射频应用中，或者在功率应用中由普通硅组成）。迄今为止，基于 GaN-on-SiC 的技术使用最多，因为它结合了氮化镓的高功率密度和碳化硅的低功率损耗，还因为它解决了与热管理和寄生损耗相关的问题。GaN-on-Si 技术虽然成本较低，但其热性能较差，射频信号功率损耗较高。

氮化镓的射频应用

尽管氮化镓通常与经典射频应用相关，例如功率放大器 (PA)，但这种创新材料还有许多其他重要应用。这些设备实现的不断提高的功率和效率水平使它们具有吸引力，特别是在空间和军事领域的应用中（尤其是军用级雷达）。坚固性、出色的热性能、更小的重量和尺寸，使这种材料成为其他类型竞争技术的更好选择，即使在低频 RF 应用中也是如此。在军用雷达中，当工作在不同千兆赫兹的频段时，氮化镓已被证明是制造固态发射器的理想解决方案，取代了基于速调管的传统技术。最新一代军用雷达，与电子扫描阵列 (AESA) 和相控阵模块一起运行，将极大地受益于基于 GaN-on-SiC 的单片微波集成电路 (MMIC) 的可用性。然而，GaN 技术的应用不仅限于航天领域和军用雷达。在电信领域，尤其是移动电话领域，这种材料用于创建各种创新解决方案，例如支持 5G 技术的解决方案。在射频放大器和相控天线阵列等特定应用中，氮化镓基元件正逐步取代传统的硅基元件。事实证明，GaN 的卓越特性非常适合有效管理 6 GHz 以下频段和 20 GHz 以上频段（毫米波或 mmWave）。

氮化镓射频器件

Wolfspeed拥有广泛的基于 GaN 的功率器件产品组合，例如CMPA2735075F，一款 75W、2.7 – 3.5GHz、GaN MMIC 功率放大器。如图 1 所示，该器件是基于氮化镓 (GaN) HEMT 的单片微波集成电路 (MMIC)。由于氮化镓与硅或砷化镓相比具有更高的击穿电压、更高的饱和电子漂移速度和更高的热导率等优越性能，因此该器件特别适用于 S 波段 (2.0 – 4.0 GHz) 民用和军用脉冲雷达放大器. 与 Si 和 GaAs 晶体管相比，GaN HEMT 还提供更高的功率密度和更宽的带宽。该 MMIC 包含两级无功匹配放大器设计方法，可实现非常宽的带宽。这种 MMIC 能够在小尺寸、压紧式封装中实现极宽的带宽。

图 1：Wolfspeed CMPA2735075F，适用于 S 波段雷达应用

MACOM是电信、数据中心、工业和国防应用半导体设备的领先设计商和制造商，拥有广泛的射频功率产品选择。一个例子是MAGx-011086，一种基于碳化硅的 GaN 通用 HEMT 放大器，针对 DC – 6 GHz 操作进行了优化，采用用户友好的封装，非常适合高带宽应用。该器件专为饱和和线性操作而设计，采用行业标准、低电感、表面贴装 QFN 封装，输出功率为 4 W (36 dBm)。封装的焊盘形成共面发射，自然吸收铅寄生，并具有适用于空间受限应用的小 PCB 轮廓。MAGx 晶体管采用最先进的晶圆制造工艺，可在宽带宽范围内提供高增益、高效率、高带宽和耐用性，以满足当今苛刻的应用需求，例如脉冲航空电子设备和雷达应用。

Qorvo是一家专门从事射频系统的半导体公司，在提供跨多个频率和功率级别的功率放大器 (PA) 解决方案方面有着良好的记录。在TGA2312-FL，如图2所示，是一个高功率放大器操作并且10之间9 GHz和典型地提供48 dBm的饱和输出功率的38％的功率附加效率，并13分贝小信号增益。TGA2312-FL 非常适合航海和气象雷达，采用 CuW 基法兰封装，可实现卓越的热管理。TGA2312-FL 采用 Qorvo 的 0.25um GaN on SiC 技术，可提供卓越的性能，同时保持高可靠性。此外，碳化硅衬底的使用提供了可靠的高功率运行所需的最佳热性能。

图 2：Qorvo TGA2312-FL，一种适用于雷达和民用商业系统的 PA

文章来源：eeweb Stefano Lovati

编辑：ymf