【M博士问答】5G来了,为什么大家都在谈论氮化镓?原因在此

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【M博士问答】5G来了,为什么大家都在谈论氮化镓?原因在此

Q:5G射频应用中,为什么大家都看好氮化镓(GaN)?

A:氮化镓是一种二元III/V族直接能隙半导体晶体,也是一般照明LED和蓝光播放器最常使用的材料。另外,氮化镓还被用于射频放大器和功率电子器件。氮化镓是非常坚硬的材料;其原子的化学键是高度离子化的氮化镓化学键,该化学键产生的能隙达到3.4 电子伏。

半导体物理学中,“能隙”是指使电子游离原子核轨道,并且能够在固体内自由移动所需的能量。能隙是一个重要的物质参数,它最终决定了固体所能承受的游离电子和电场的能量。氮化镓的能隙是3.4 电子伏,这是一个比较大的数字。这就是为何氮化镓被称为“大能隙半导体”的原因。相比之下,砷化镓的能隙为1.4 电子伏,而硅的能隙只有1.1 电子伏。

氮化原子排列是六边形结构,有两个晶格常数
氮化原子排列是六边形结构,有两个晶格常数
(图中标记为a 和 c)

尽管与硅和砷化镓等其他半导体材料相比,氮化镓是相对较新的技术,但是对于远距离信号传送或高端功率级别等(例如,雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等)高射频和高功率应用,氮化镓已经成为优先选择。

碳化硅基氮化镓在射频应用中脱颖而出的原因如下:

1、高击穿电场

由于氮化镓拥有比较大的能隙,因此氮化镓材料也拥有高击穿电场,氮化镓器件的工作电压可以远高于其他半导体器件。当受到足够高的电场影响时,半导体中的电子能够获得足够动能并脱离化学键(这一过程被称为“碰撞电离”或“电压击穿”)。如果碰撞电离没有得到控制,则能够造成器件性能退化。由于氮化镓能够在较高电压下工作,因此能够用于较高功率的应用。

2、高饱和速度

氮化镓的电子拥有高饱和速度(非常高的电场下的电子速度)。当结合大电荷能力时,这意味着氮化镓器件能够提供高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积,所以,电压越高,电流密度越大,在实际尺寸的晶体管中产生的射频功率越大。简单而言,氮化镓器件产生的功率密度要高得多。

3、突出的热属性

碳化硅基氮化镓表现出不同一般的热属性,这主要因为碳化硅的高导热。具体而言,这意味着在功率相同的情况下,碳化硅基氮化镓器件的温度不会变得像砷化镓器件或硅器件那样高。器件温度越低才越可靠。

本文转载自:Qorvo半导体微信公众号
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