几十年来，硅一直是众多半导体应用的首选材料。然而，未来硅的地位或许会有所下降。氮化镓 (GaN) 已成为一种颇具前景的替代方案，尤其是在射频 (RF) 领域。
随着射频技术对寿命和可靠性的要求不断提高，传统电子设计开始出现缺陷。GaN 等替代材料需要进一步研发才能充分发挥其潜力，但或许能提供解决方案。
GaN技术在RF用例中的优势GaN技术在射频应用中的应用仍然相对小众。尽管如此，一些令人印象深刻的优势已经浮现出来。
功率密度
GaN 用于射频元件的最大优势在于其功率密度。它的带隙为 3.4 电子伏特(eV)，而硅的带隙为 1.1 eV，这使其能够处理更大的功率并实现更快的切换，而不会降低性能。
随着 5G 网络日益普及，这种容量的影响将更加显著。目前，5G 更高的频率和更宽的频段范围需要额外的功率才能维持通信且不丢失信号。用硅来实现这一点可能颇具挑战性，但 GaN 提供了更大的发展空间。
在高频射频用例中，GaN 的使用寿命也比硅更长。尤其对于军事、航空航天和工业物联网设备而言，这种长寿命将带来显著优势。
热性能
与传统硅相比，GaN 展现出更佳的热性能。镓基半导体比硅基半导体更耐高温，尤其是在高负载条件下。这对于当今的射频技术而言是一个关键优势。
随着物联网的普及，通信技术必须承受更广泛的极端条件，包括强烈的阳光或高温的工业环境。因此，组件需要更好的热管理，以保持计算性能并避免故障。GaN 的耐高温性能在这一领域具有明显的优势。
更好的散热性能还能缩小设备尺寸，因为对外部冷却系统的需求更少。因此，消费级物联网设备和可穿戴设备等垂直领域将变得更加实用，从而带来更高的普及率。
效率
GaN技术也提升了硅的效率。这种材料更宽的带隙使功率转换的损耗比传统解决方案更低，这对射频元件来说有两个重要的意义。
首先，通信基础设施可以利用这种效率来减少电力消耗。这为利用太阳能或其他可再生能源为5G塔或远程信息处理设备供电打开了大门，而这些能源可能无法像传统方式那样提供那么多的能源。
其次，GaN 的效率可以带来更佳的信号——更容易放大射频范围，而不会引入与噪声或额外电源相关的复杂因素。这对于 5G 网络尤其有价值，因为与之前的移动技术相比，5G 网络的传输距离更短，但频率更高。
尺寸优势
GaN的效率和功率密度还有一个重要的次要优势：它们可以降低尺寸和重量要求。当电路能够用更少的材料支持相同的能量和频率时，整个PCB的尺寸就可以缩小。
射频 PCB通常需要多层设计，这很容易导致尺寸和重量问题。使用 GaN 替代硅来减轻单个组件的重量，可以消除这一障碍。制造商可以创建复杂的 PCB，而无需采用可能影响设备实用性的更大尺寸。
紧凑的PCB也有利于热管理，因为最终产品中有更多的空间容纳冷却风扇和类似组件。这对于工业物联网端点和5G小型基站等户外通信技术来说是理想的选择。
GaN RF技术仍面临的障碍尽管GaN技术拥有诸多优势，但其并非完美无缺。最显著的是，它成本高昂。一块两英寸的GaN衬底成本高达1900美元，而硅衬底的成本仅为50美元。将GaN与碳化硅（SiC）相结合通常更具成本效益，但这些解决方案的成本仍比纯SiC方案高出50%。
原材料的限制进一步加剧了GaN供应链的复杂性。高达98%的原生镓来自中国。撇开单一来源的风险不谈，中国还禁止向美国出口镓和锗，这使得美国射频公司在GaN半导体所需材料的采购方面几乎没有选择。
随着技术进步和GaN制造规模的扩大，成本可能会下降。供应限制可能需要更多工作来解决，但这也是有可能实现的。镓是铝生产的副产品，因此射频公司或许可以通过与中国以外的铝制造商合作来增强其镓供应链。
在不同国家寻找多个关键材料来源至关重要，因为这样可以减轻一个国家供应中断的影响。通过与国内铝厂合作，将镓的生产转移回国内，也能缓解成本和供应方面的担忧。
GaN技术可能是射频创新的未来GaN技术要发展到在射频应用中广泛应用所需的规模，仍需要时间和调整。然而，电信技术企业不能忽视它的潜力。
随着GaN的普及，它有望显著改善射频市场。及早抓住这一机遇，对于确保未来的成功至关重要。