芯耀
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氮化镓（GaN）的崛起真是让人没法忽视，它甚至被叫做“会取代其他所有技术的存在”，这道理也不难懂：氮化镓能把高功率、高增益和高效率这几个优点全占了，同时还能在高偏置电压下工作，这样就能降低电流消耗。在用于射频功率生成的半导体材料里，它的功率密度也是最高的，而且能在多个倍频程的带宽上运行。
不过呢，作为它更成熟的竞争对手，LDMOS和砷化镓（GaAs）可不会这么快就被氮化镓这股浪潮“拍在沙滩上”，氮化镓也不会自然而然地成为所有射频功率应用的首选。要弄明白为啥会这样，就得好好说说这几种技术各自的优势——这些优势在很大程度上决定了它们最适合啥样的应用场景。
LDMOS技术
从LDMOS技术首次商用到现在这几十年里，它一直在不断进步。现在的LDMOS射频功率晶体管是这三种技术里最“皮实”的：有些LDMOS射频功率晶体管在输入两倍额定射频功率的情况下，就算遇到超过65:1的阻抗失配（氮化镓和砷化镓一般只能承受20:1左右甚至更低的失配），也不会性能下降或者损坏。单个LDMOS晶体管能产生超过1500W的连续波射频功率输出——这个指标每年都在往上提呢，而且它的效率和增益都很高，还能在高达50V的直流电压下工作，下图是LDOMS器件的原理图。
下图是封装内部带有高Q值输入和输出匹配的LDMOS功率器件的图片。
所以说啊，LDMOS射频功率晶体管和RFIC跟过去这些年一样，几乎是基站放大器的“专属配置”，而且现在用在小基站放大器里的情况也越来越多了。LDMOS占绝对优势的其他应用还包括陆地移动无线电、固态广播发射机，以及磁共振成像等医疗系统。它们也会用在航空电子系统，还有L波段和S波段雷达上——这些雷达带宽比较窄，用不着氮化镓的宽带性能特点。图2展示的就是一个典型的采用LDMOS晶体管的放大器模块。
由于LDMOS既能输出极高的射频功率，又特别耐用，现在它已经能在一直用真空管的工业系统里派上用场了。这些应用都是拿射频能量来加热的，从焊接、烘干到塑料封口，还有几十种其他用途呢。LDMOS最新的新兴应用是在两种烹饪场景里：一种是取代微波炉里的磁控管，另一种是做出全新类型的电器，能同时烹饪多种食物。这种新型“烹饪设备”（见下图）跟传统微波炉不一样，在很多方面都得益于固态电源技术。
和只能开或关的磁控管不一样，LDMOS晶体管的输出功率能连续调节，这样做出来的食物受热更均匀，营养和水分保留得也更好。它还大大改善了解冻过程——用微波炉解冻时，经常出现有的地方刚好化冻、有的地方半熟、有的地方却干掉的情况。
虽然LDMOS技术在未来很多年里都还会被需要，但一旦蜂窝通信进入5G时代，开始使用3GHz以上甚至毫米波频段的频率，LDMOS就不再是基站放大器里唯一的射频功率技术了。实际上，在3GHz或4GHz以上的频段，要是基站需要和现在LDMOS提供的相同射频功率水平，无论是宏基站还是小基站，GaN都会成为唯一选择。
砷化镓（GaAs）：不可或缺的“多面手”
砷化镓是用途最广的半导体材料之一，从功率放大器到混频器、开关、衰减器、调制器、限流器，再到太阳能电池、激光二极管和LED，哪儿都能用得上。说真的，要是没有砷化镓技术，现在很多习以为常的应用可能根本实现不了，或者至少不会这么快出现。比如，正是因为有了砷化镓，有源相控阵雷达才得以现代化。
砷化镓还在“无线革命”中扮演了关键角色——这和砷化镓器件开始广泛应用的时间差不多，可能不是巧合。现在全球移动电话用的所有频段里，功率放大器和低噪声放大器（LNA）主要都是砷化镓技术。而且和基站用的LDMOS不同，就算蜂窝通信向更高频段发展，砷化镓的地位依然稳固，下图是GaAs MMIC功率放大器图片。
砷化镓器件也用在有线电视系统的分配放大器里，还有30GHz左右的微波点对点链路中。因为砷化镓抗电离辐射，所以在卫星转发器的太阳能电池和射频功率放大器里也很常用。它甚至一度被考虑用于高速计算领域，但后来时钟频率越高，功耗问题越突出——毕竟在硅芯片上增加核心比这便宜多了，所以最终没在计算领域普及。
虽然用砷化镓器件能做出功率比较高的放大器模块，但它还是面临着GaN的冲击，因为GaN在相同频率下能输出更高的射频功率，这样要达到同样的最终功率，需要的器件数量和放大级数都更少。不过砷化镓已经发展了几十年， 数十亿的设备在服役，光是它覆盖的应用数量，就足以保证它在很长时间内都不过时。
GaN的未来
从前面的讨论应该能看出来，LDMOS尤其是砷化镓现在和将来都会是射频功率领域非常实用的技术。但不可否认，GaN的潜力巨大，会逐步进入现在由其他技术主导的应用场景。它已经在国防系统里广泛应用（而且还在增加），现在又把目标投向了蜂窝通信基础设施——随着5G网络开始部署，这个趋势会越来越明显。
要理解GaN的核心优势，最好从分子层面说起。在固体中，电子的能量会形成能带，最上面的是导带，下面是价带，中间的区域叫带隙。价带里的电子受到适当激发，就会跃迁到导带。
我们通常拿Si（带隙1.1eV）和GaAs（带隙1.4eV）来对比这个激发强度。相比之下，GaN的带隙是3.4eV，SiC是3eV，金刚石是5.5eV，所以它们都属于“宽禁带”材料。宽禁带半导体能承受更高的击穿电场，这直接让GaN的功率密度至少达到了砷化镓的10倍。下图对比了GaN、SiC和硅的击穿电压。
另外呢，GaN器件能在比GaAs和硅更高的温度、更高的电压下工作，所以能输出更大功率。氮化镓器件的工作电压能达到砷化镓的五倍，电流是两倍；在10GHz以上频段，它的功率附加效率潜力比GaAs高；在1GHz以上频段，比Si的潜力也高。
大部分文献、文章和其他资料里，都会提到GaN-on-SiC和GaN-on-Si，毕竟这俩是目前最常用的组合，不过它们能实现的性能差别很大。SiC的热导率是Si的三倍（是GaAs的六倍），这就意味着，要输出一定的射频功率，用SiC衬底的话，芯片尺寸可以更小。
所以呀，当氮化镓器件用SiC这类本身也有宽禁带特性的材料做衬底时，能达到最佳性能，这也不奇怪啦。GaN-on-SiC器件成本更高（原理图如下所示），但对那些要求极致性能的应用场景来说，它的性能优势能抵消成本问题。
反过来，GaN-on-Si器件性能差一些（原理图如下所示），但因为能用硅工艺制造，成本也低，目前就只能用在对性能要求没那么高的地方。虽说这两种组合最受关注，不过也有部分氮化镓器件制造商，会用铜或者铜-钼-铜做衬底材料。这两种材料热导率都不错，性能比GaN-on-Si好，成本又比GaN-on-Si低。
就像之前说的，氮化镓最大的优势之一就是功率密度特别高，这就使得它能用比硅或者砷化镓小得多的栅极外围尺寸，产生超高的射频功率。一般来说，氮化镓器件的功率密度是砷化镓器件的五倍，也就是说，在尺寸小80%的芯片里，氮化镓能输出的功率是砷化镓的五倍。理论上，氮化镓的功率密度至少能达到20W/mm?（有人甚至说能更高），但实际情况是，在这么小的面积里产生这么高的功率，会带来很棘手的热管理问题。
也就是说，实际能达到的功率密度，取决于芯片的热量能不能快速又有效地散掉。这就是为啥氮化镓器件制造商能做出的功率密度，往往比系统集成商能处理的（散热能力）要高。不过话说回来，过去几年里，在热管理方面已经取得了很大进展，不管是芯片内部的散热，还是通过衬底向外散热，再到散热片、散热器，甚至外接冷却子系统，都有改进。
这就把我们带到工业金刚石衬底氮化镓这个“小众领域”了。虽然提到它和氮化镓搭配的情况不多，但目前来看，它是散热最有潜力的材料，不过也是最难实现量产的。金刚石的热导率是地球上所有材料里最高的，所以只用很薄的一层，就能承受超高电压，具体数据看表格1就知道。其实几十年前就有人研究金刚石衬底了，一开始没什么成果，但最近有几家开始尝试量产的公司，做出了挺有希望的结果。虽然涉及机密，但看起来有些下一代雷达，很可能已经在设计用金刚石衬底的氮化镓了，下面表格是金刚石与其他材料的热导率对比。
金刚石的潜在优势可太大了，虽说它比其他材料贵，但价格不是决定其真实成本的唯一因素。比如说，金刚石衬底氮化镓（GaN-on-diamond）能实现更高的功率密度和散热效率，这意味着要达到特定的射频输出功率，只需更少的放大级和器件。这在采用有源电子扫描阵列（AESA，也就是现代有源相控阵）架构的雷达或电子战系统里，优势可太明显了，下图是基于10W GaN功放的X波段TR组件，应用与AESA，如下图所示。
这类系统每个天线单元都能独立输出射频功率（不像以前靠单个真空管），而阵列里通常有几百甚至几千个单元。每个放大器的射频功率越高，系统整体的有效辐射功率就越强。如果能像GaN MMIC那样用更少器件实现这一点，系统成本、复杂度、物料清单和冷却开销都能大幅降低。虽说上世纪80年代末GaAs让现代有源相控阵成为可能，但GaN的特性让这类系统能进一步实现更高功率输出。
另一种基于金刚石的方案，是把铝-金刚石金属基复合材料（MMCs）当散热片用。这材料热导率比其他竞品高，而且量产成本还算合理。所以在研究了碳化硅衬底氮化镓之外的各种方案后，有些GaN器件、射频功率放大器和整机系统的制造商，正转向铝 - 金刚石MMCs，想借此用更低成本榨出GaN的更高性能。
总之呢，在所有用于射频功率生成的半导体技术里，各种形态的GaN从长远看增长潜力是最大的，而且它的潜力才刚刚开始被挖掘出来。跟本质上属于窄带技术的LDMOS不同（不过GaAs不算哈），GaN器件能在超宽的带宽里工作，这对电子战这类本身就需要宽带的应用好处特别大，对通信系统来说也有一定好处，只是没那么明显。
还有啊，现在很多雷达的带宽都超过1GHz了（而且还在增加），这就让GaN特别适合用在下一代雷达系统里，给现有的雷达升级也行。既然GaN有这么多天生的优势，按理说我们可能会觉得GaN，尤其是GaN-on-SiC会让其他器件技术都没必要考虑了。不过呢，LDMOS和GaAs在越来越多的应用里都有自己独特的优势，这就保证了它们在射频功率领域还是有一席之地的。
好了，关于GaN、GaAs和LDMOS三者的区别和应用这篇文章基本介绍清楚了，希望对大家挑选器件时有所帮助。
