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氮化鎵半導體材料在5G時代的應用前景

2019-08-11

  氮化鎵,分子式為GaN,是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料,并與SiC、金剛石等半導體材料一起,被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。

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  GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導體材料,和第一代的Si以及第二代GaAs相比,其在特性上優(yōu)勢突出。由于禁帶寬度大、導熱率高,GaN器件可在200℃以上的高溫下工作,能夠承載更高的能量密度,可靠性更高;較大禁帶寬度和絕緣破壞電場,使得器件導通電阻減少,有利于提升器件的能效;電子飽和速度快,以及較高的載流子遷移率,可讓器件高速地工作。

  5G商用到來,射頻氮化鎵技術必不可少

  射頻氮化鎵技術是5G的絕配,基站功放使用氮化鎵。隨著全球移動數(shù)據(jù)流量的不斷增長,各移動運營商正在竭盡全力滿足爆炸式增長的流量需求。通過載波聚合可以緩解移動互聯(lián)網對于數(shù)據(jù)帶寬的需求,載波聚合和大規(guī)模多入多出技術促使基站去采用性能更好的功放?;局幸郧安捎玫纳漕l功放主要基于LDMOS技術,但LDMOS技術的極限頻率不超過3.5GHz,也不能滿足視頻應用所需的300MHz以上帶寬。

  因為上述原因,基站開始采用射頻氮化鎵器件來替代LDMOS器件。LDMOS器件物理上已經遇到極限,這就是氮化鎵器件進入市場的原因?;緫眯枰叩姆逯倒β?、更寬的帶寬以及更高的頻率,這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。

  GaN可以實現(xiàn)更高的功率密度,對于既定功率水平,GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件,就可以減小器件電容,從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設計變得更加輕松。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體,可承受更高的工作電壓,意味著其功率密度及可工作溫度更高,因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點。

  快充類手機需求旺盛

  隨著電子產品的屏幕越來越大,充電器的功率也隨之增大,尤其是對于大功率的快充充電器,使用傳統(tǒng)的功率開關無法改變充電器的現(xiàn)狀。而GaN技術可以做到,因為它是目前全球最快的功率開關器件,并且可以在高速開關的情況下仍保持高效率水平,能夠應用于更小的元件,應用于充電器時可以有效縮小產品尺寸,比如使目前的典型45W適配器設計可以采用25W或更小的外形設計。氮化鎵充電器可謂吸引了全球眼球,高速高頻高效讓大功率USB PD充電器不再是龐大笨重,小巧的體積一樣可以實現(xiàn)大功率輸出。

  據(jù)統(tǒng)計,許多主流的手機廠商都已將USB PD快充協(xié)議納入到了手機的充電配置。USB PD快充的手機已經多達52款型號和覆蓋15個品牌,其中不乏蘋果、華為、小米、三星等一線大廠品牌。USB PD快充將成為目前手機、游戲機、筆記本電腦等電子設備的首選充電方案。

  現(xiàn)下,5G商用,消費類電源快充快速普及,氮化鎵在這些領域都有著較為廣闊的應用前景,氮化鎵未來可期。


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