一般而言，GaN晶體管比傳統硅器件更快且更有效。但如果是這樣的話，有什么限制可以阻止它從寶座上取下硅芯片？

硅技術正在接近其極限。同時，仍然需要更快，需要更有效的電路。從這一點開始，其中一條路徑是研究人員和公司都要研究不同的材料來制造面向未來的設備。

引起業界關注的一種材料特別是氮化鎵（gallium nitride）或GaN，氮化鎵（GaN）已經在光電子學中得到越來越多的應用。

以下是GaN的當前狀態。

GaN vs 硅

在研究GaN的物理特性時，很容易理解為什么它是一種非常有前景的半導體。 GaN是二元III / V直接帶隙半導體，其帶隙能量為3.4eV，是帶隙能量僅為1.1eV的硅的幾倍。

GaN纖鋅礦多面體。圖片使用Solid_State提供

這種更寬的帶隙使得GaN非常適用于光電子器件，并且是生產諸如UV LED之類的器件的關鍵，其中倍頻是不切實際的。 GaN半導體不僅具有1000倍于硅的電子遷移率，而且還能夠在更高的溫度下工作，同時仍保持其特性（高達400攝氏度）。這些組合特性將使GaN在高頻（THz），高溫和高功率環境中非常理想。

GaN面臨的問題

雖然GaN器件廣泛用于光電子工業（例如LED），但由于若干原因，它們并不常用于晶體管中。 GaN晶體管的最大障礙之一是GaN器件通常是耗盡型器件，當柵極 - 源極電壓為零時它們導通，這是一個問題，因為電源電路和邏輯依賴于常開和常關晶體管。

GaN的ACF電路

松下的圖片

目前，有幾個提議要建立在柵極 - 源極電壓為零時關閉的GaN器件，包括添加氟離子，MIS型柵極堆疊，組合的GaN和Si器件，以及使用P型AlGaN / GaN異質結頂部的材料。

目前的GaN應用

雖然包含GaN晶體管的器件數量很少，但幾家公司正在嘗試增加對GaN基產品的興趣。例如，松下已經使用他們的專利X-GaN技術在許多應用中生產GaN基晶體管，包括電源轉換器（效率高達99％）和電機配置中晶體管的替代品。他們的X-GaN晶體管也可以完全取代MOSFET和續流二極管，從而節省能源并減小電路的物理尺寸。

圖片由軍事空間提供

GaN晶體管因其卓越的頻率特性而進入無線電應用領域，與Comtech PST公司合作生產BPMC928109-1000型號，這是一種GaN放大器，用于高速攝像機，空中交通管制，甚至軍事應用，要求頻率在9.2-10GHz之間，10kW功率。

松下高壓GaN的演進路標

GaN會取代硅嗎？

與硅相比，GaN具有許多重要優勢，更節能，更快，甚至更好的恢復特性。然而，雖然GaN似乎是一個優越的選擇，但在一段時間以內它不會在所有應用中取代硅片。

相關電路設計

需要克服的第一個障礙是GaN晶體管的耗盡性質;有效功率和邏輯電路需要常開和常關兩種類型的晶體管。雖然可以生產常關型GaN晶體管，但它們要么依賴于典型的硅MOSFET，要么需要特殊的附加層，這使得它們難以收縮。不能以與當前硅晶體管相同的規模生產GaN晶體管也意味著它們在CPU和其他微控制器中使用是不實際的。

GaN晶體管的第二個問題是，用于制造增強型GaN晶體管的唯一已知方法（在寫入時）是使用獲得專利的松下方法來使用額外的AlGaN層。這意味著涉及這種晶體管類型的任何創新將依賴于Panasonic，直到可以研究其他方法。

自21世紀初以來，GaN器件的工作已經出現，但GaN晶體管仍處于起步階段。毫無疑問，他們將在未來十年內取代電力應用中的硅晶體管，但它們仍遠未用于數據處理應用。

然而，如果GaN器件可以小型化（小于100nm的特性），那么它們不僅可以用于替代硅以獲得更好的功率效率，而且它們還可以以更高的速度運行并且允許其功率處理器繼續增加。

（完）