氮化镓技术的两个应用

宽禁带半导体器件，比如氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），有两种典型的应用。一种应用是用作功率器件，也称为电力电子器件，主要功能是作为高频开关管，通过频繁的导通和截止来控制高电压、高电流电路的通断。通过一系列开关管的组合，我们可以制作比如整流器和逆变器，分别把交流电变成直流电及把直流电变成交流电。目前常用的充电器大部分属于开关电源，开关电源的核心是一个开关器件，通过在开关器件在开关状态之间快速切换，控制电源输入电流的通断，从而实现电能转换和调节输出电压。在淘宝上能买到的GaN充电器，就是用GaN器件作为开关器件的充电器。由于功率应用需要承受更大的击穿电压，因此功率HEMT的栅/漏间距到十几个微米，这会导致单位面积电流密度的降低、寄生电容的增加（导致切换速度的下降）、以及芯片体积和成本的增加，因此近些年大家对GaN垂直器件更加看好一些。

理想的开关器件是一个完美的开关，功率为0。实际情况下，当器件处于开态时，会存在导通的电阻损耗产生焦耳热；当器件关断时，会产生漏电的损耗；当器件切换时，由于存在寄生电容，会存在对电容充放电的时间，此时器件的电压电流变化并不是一个阶跃函数，而是有一个过渡过程，这导致了动态切换损耗（on/off loss）。对于充电器中高频切换的开关管来说，切换损耗占据了主要部分，导致开关管大量发热，结温超过承受能力。所以为了降低发热，要么降低开关管的切换频率，要么降低开关管的寄生电容。传统的硅基功率MOS管寄生电容非常大，所以开关频率只能设置得比较低，因此变压器只能做得很大，这也是为什么过去的笔记本电源那么占地方。而GaN的寄生电容很小，因此切换频率可以很快，变压器也可以相应做得更轻薄，在相同的充电功率下，充电器就可以做得更小了【参考：氮化镓是什么？它为什么可以让充电器变小？】。为什么宽禁带器件的寄生电容更小呢？因为禁带越宽，击穿电场就越高，这意味着在同样的电压条件下，宽禁带器件可以做得更小。

从这个讨论也可以看到，定义功率器件的功率其实是不太合适的，叫功率耗散（功耗）更加合适些。随着电力电子技术的发展，功率密度会逐渐提高，这里的功率密度指的是整个模块的能量转换效率或者功率输出能力，在这个系统中功率器件的功耗越低，则整个模块所能够承受的能量转换量就越大。

宽禁带器件另一种典型的应用场景是射频（Radio Frequency，RF）领域，其中一项主要应用是功率放大器（Power Amplifier，PA）。就和它的名字一样，射频指的是3kHZ~300GHz的频率波段，这个波段是无线电波的频率，其对应的波长范围为1毫米以上，这个波段主要被应用在无线通讯、广播、雷达、通讯卫星、导航、和电脑网络等应用上。射频系统的主要目的就是实现通讯（无线信息传输），无线通信的两个基本模块包括发射机和接收机，发射机发出电波信号，接收机接收电波信号。经常提到的基站，比如谈到GaN技术时的5G基站，属于射频系统中的一个中继设备，它既接收来自用户设备的信号，也会继续将其转发到核心网络、其他基站、或者其他用户设备上，以提供无线通信服务。

不同通讯技术所采用的波段不同，因此不同场景的射频技术都是为特定频段的信号优化设计的，比如雷达一般工作在微波频段，如X波段（8-12 GHz）、K波段（18-27 GHz）、S波段（2-4 GHz）等，这些频段的波长较短，而广播电台使用的频段通常是中波、短波和调频（FM）频段，如AM广播在535 kHz至1605 kHz的频段，FM广播在88 MHz至108 MHz的频段。收音机的调谐范围和解调器的设计是根据这些广播频段进行优化的，所以自己家里的收音机是没法接收到雷达信号的，雷达信号需要专门的雷达接收机和处理系统来进行接收、解调和分析。所以也可以清楚为什么私建电台是犯法的了，因为私建电台可能使用与其他合法通信系统冲突的频率和调制方式，从而对正常的无线电通信产生干扰。这可能影响到公共安全通信、紧急通信、航空通信、无线电广播等重要的通信服务，所以所有国家的政府都会负责监管和管理频谱资源，以确保其有效利用和公平分配。FM广播的有效传播范围大概在几十到几百公里左右，在哈尔滨收听到的90MHz频段可能是哈尔滨电台，到北京可能就会收到北京广播电台的信息。如果自己的收音机📻特别灵敏，其实有可能在同一个频率上听到几个台的广播节目，虽然现在坐在办公室里，但身边正充斥着各种各样的无线电波信号，拿着特定频段的接收机，就可以听到他们的广播了。

发射机或接收机可能会出现一下几个模块：【参考：射频和无线技术入门】

信号源：产生稳定的信号，比如晶体振荡器接上电源之后，理想输出是一个完美的预定频率的正弦波信号，在下图的发射机中，产生了400MHz的信息信号。信号经调制器调制后（改变信号的幅度、频率、相位等信息，分别称为调幅、调频、和调相），正弦波的形状发生了改变，信息被编码到新的波形信号当中。接收机中的解调器再还原这些波形信号，就可以提取到原始的信息。

放大器：放大器负责使信号放大，广泛出现在射频系统中。在无线通信中，信号（携带信息、具有能量的电磁波）通过空间传输，通常使用功率来衡量信号的强度或能量，信号的功率是指信号携带的能量在单位时间内传输的速率。在传输过程中，信号会受到传输损耗和衰减的影响，导致信号强度下降。信号的功率对于无线通信的可靠性和覆盖范围至关重要。较高的功率可以提供更远的传输距离和更好的信号质量，但同时也需要更多的能量供应，放大器就起到了在保持信号信息不变的情况下，增大信号功率的作用。

放大器有四个基本属性，包括增益、噪声系数、输出功率和线性。依据属性的不同，放大器主要可以分为3类：低噪声放大器，高功率放大器，和其他。低噪声放大器（LNA）是信号通过接收器遇到的第一个放大器，高功率放大器（HPA）是信号从发射机出来前通过的最后一个放大器。

增益是度量输出信号比输入信号大多少，用dB来度量，在射频系统中的某些地方需要较大增益（40dB或50dB），而一些地方只需要很小的增益（5dB或10dB），3dB指的是功率变为两倍，10dB指的是功率变为10倍，13dB指的就是功率变为20倍了。

噪声系数用于描述信号和噪声的比例关系，通常用以表示放大器引入的噪声水平，噪声系数是以分贝（dB）为单位表示的。理想放大器或接收器的噪声系数为0 dB，表示它们没有引入额外的噪声功率。而实际的放大器或接收器通常会引入一定的噪声功率，导致噪声系数大于0 dB。噪声系数越低，表示放大器或接收器引入的噪声越少，对信号的质量保持得越好。LNA用于监听非常小的射频信号，所以噪声系数必须非常低。噪声系数越低，就意味着接收机可以听到的信号就越小，能够监听到的信号范围就越大。

输出功率指的就是信号通过放大器后的输出功率，功率越高，信号传输得范围就越远。大部分手机内HPA的输出功率小于1W，而基站的HPA可以到50W。在射频领域，人们喜欢用dBm这个单位来表示输出功率，dBm的意思是比1mW大的dB数，比如1W比1mW大1000倍，所以功率增益就是10dB+10dB+10dB=30dB，这个放大器的输出功率就是30dBm。在射频信号从天线出来之前，HPA必须尽可能放大信号。HPA的结构一般较大，因为HPA的输入功率很高，但只有一部分输入功率转化为了输出功率，另一部分变成了热。我们用PAE描述PA的效率，PAE指PA输出的有用功率与输入功率之比。

线性用来度量放大器使输入信号形状失真的程度，理想情况下，放大器的输出信号除了比输入信号的功率大以外，二者完全一致。为了避免射频信号失真，放大器必须工作在线性区。一颗晶体管就可以作为一个放大器，给器件一个稳定的饱和区电压偏置，小交流信号从栅极输入，通过控制栅极电压来实现输入信号的放大，并通过漏极-源极之间的电流变化来输出放大后的信号功率。

混频器：混频器用于改变输入信号的频率，来实现信号的传输，比如在人们讲话时，在周围引起2kHz的声波，然而当我们用蜂窝电话打电话时，声波的频率需要变成蜂窝通信中使用的频率（900MHz），为了将人的语音频率搬移到蜂窝载波上，需要一个或者多个混频器。\(f_1\)信号输入混频器，混频器再给出一个\(f_2\)信号，最终输出两个频率的信号\(|f_1+f_2|\)和\(|f_1 - f_2|\)，我们需要剔除其中一个不需要的信号，此时混频器后就需要接入一个滤波器。

天线：每个射频系统都有天线，在发射机中，天线把电信号转换成无线电波，在接收机中，天线把无线电波转换成电信号，天线是无线系统的心脏，没有天线就没有无线通信。天线可以是有源器件也可以是无源器件，无源天线就是一大块金属，以一种特殊的方式配置，有源天线仅仅是比无源天线在内部多了一个放大器。任何一个天线的形状和大小都依赖于3个因素。天线的物理特性依赖的首先就是频率，即天线需要处理的信号频率。总得来说，天线处理的频率越低，天线规模越大。这也是为什么调幅广播站在530kHz频率广播时，它的天线有几百米高，而手机工作在900MHz，它的天线就很小。第二个决定天线大小和形状的因素是无线电波传播的方向。根据无线电波信号是否是指向某一个特定的方向，可以把天线分成定向天线和全向天线。最后决定天线大小和形状的因素是天线发送或者接受的功率，功率越大，天线规模也就越大。

GaN在射频系统中主要就是用作功率放大器，比如放在战斗机上的有源相控阵火控雷达中，氮化镓技术可以高功率地增加雷达信号，使雷达的探测范围有机会提高数倍，提前瞄准对方发起攻击或部署防御措施。GaN晶体管已被验证可以在脉冲模式下以高功率(Pout=40 W/mm)运行，但是在功放中不可能以这个功率运行，因为这个功率产生的废热会使得晶体管过热，沟道温度太高，器件直接烧毁，因此目前的实际GaN功放的输出功率也就在5 W/mm左右，这远小于其电学性能的极限。

美国国防高级研究计划局（DARPA）在去年11月24日推出了“器件级电子散热技术”（THREADS），旨在降低晶体管内部的热阻，来提高雷达的功率放大能力。DARPA微系统技术办公室（MTO）负责THREADS的项目经理Thomas Kazior提到：“宽禁带晶体管，如GaN，是专门为提高功率放大器的输出密度而开发的。与上一代晶体管技术相比，GaN确实有超过5倍（性能指标）的改进。我们还知道，GaN的功率输出有可能进一步提高一个数量级，但由于废热过高，在当前无法实现持续运行。如果我们能够做好散热问题，我们就可以提高放大器的功率，增加雷达的威力范围。如果该项目成功，我们将把雷达的探测范围提高2到3倍。”