GaN与GaAs技术对比

     GaN高速迁移率晶体管器件正在迅速成为设计师在卫星通信系统领域方面制作放大器的最佳选择材料。与GaAs器件相比，GaN具有高功率密度；与LDMOS器件相比具有高频率的能力。一个相当于半导体芯片的大小的GaN器件，就可以产生2到3倍射频输出功率。GaN较高功率密度的特性，增加了器件的稳定性和可靠性。在同等输出功率下，GaN器件的击穿电压超过100伏，而GaAs器件的击穿电压只有7 到 20伏。GaN器件的主要特点是：

  ①高输出功率
  ②高击穿电压
  ③抗峰值电流能力强
  ④良好的效率
  ⑤电压低门限、高击穿电压
  ⑥半导体材料损耗低
  ⑦具备抗高电压的能力
  ⑧高可靠性
  ⑨高温工作
  ⑩低热阻，高可靠性
   
   在微波频率范围内，与GaAs器件相比，GaN器件表现出了较高的增益。此性能将带来更高的功率附加效率，而功率附加效率则是设计师在设计放大器必须考虑的重要指标之一。如果用GaN设计一个既定的放大器，所用的器件会较少，从而放大器的功耗也会降低。这就是GaN带来的“绿色”放大器的概念。我们可以看到，在高功率放大器应用方面GaN具有优异的性能指标。
   ①更高的增益
   ②更大的输出功率密度
   ③在较高温度环境中稳定运行。
   ④更高的功率附加效率
   ⑤更多的RF过载保护功能
    以上这些优点使得GaN材料在高功率放大器应用方面成为最佳选择器件，频率选择范围从S波段或ES到Ka波段甚至更高的频率。GaN的这种宽带能力甚至在VHF和UHF 设备的放大器设计中已经得到应用。
   在任何固态功率放大器的设计中最受人关注的性能指标是可靠性。这是任何一个新技术引入时必须介绍参数指标。由于镓和氮之间的物理状态的差异，天然的GaN是不可能的。因此，必须利用分子束外延（MBE）基衬底材料制作GaN晶格。碳化硅是最流行的基板材料，因为它具有解决晶格失配的能力，并且能提供优良的导热性。而硅较低的成本，其导热性能差，会导致大大减少热量的蔓延效率，因此散热通道的温度较高。自20世纪80年代中期以来GaN半导体一直在发展，早期的实验产生一个错误的概念，如用硅和蓝宝石作衬底材料使得GaN器件的的MTBF低于GaAs器件，一直到普遍采用碳化硅作为衬底材料，GaN器件的MTBF远远高于GaAs器件的特性才得以体现。
   GaN器件与GaAs器件的MTTF对比，如图l所示。 GaAs器件在温度摄氏175°C通道能达到一百万小时平均无故障时间。从下图，我们可以看采用良好的热设计技术，保持通道的温度在设备制造商的建议范围内，GaN器件与GaAs器件均以可达到非常高的MTTF。 GaN器件即使工作在摄氏250度以上，也能达到一百万小时MTTF，GaN器件可以工作温度在超过250 °C。这表明，在较高的温度下，GaN器件比GaAs器件具有更高的可靠性。
   这意味着设计师在设计放大器时使用GaN器件技术可以减少散热片的大小和利用最少的散热材料，同样可以实现可靠的高功率放大器。可以推断，如果GaN放大器和其等效的GaAs放大器对比，工作温度将会大大降低，能够实现更高的MTTF。以碳化硅作为衬底的GaN器件与GaAs器件比，工作温度可以更高。GaN器件的最高工作温度可在摄氏200 至 250°C范围，而GaAs器件的工作温度在150 至175°C范围。

   250 W GaAs  vs. 400 W GaN
   Paradise Datacom公司提供的高功率GaAs 250 W紧凑室外型SSPA。该放大器产生的线性输出功率为125 W，而交流的主要功率消耗1500W。由于GaN器件的功率密度高，Paradise Datacom的400W的GaN  SSPA的尺寸与GaAs 250 W紧凑室外型SSPA的尺寸相同，而该放大器可以产生200 W线性输出功率、电源消耗约1400 W（交流供电）。在相同的交流输入功率情况下，GaN器件的线性输出功率近2倍。因此，很容易看到GaN放大器技术具有大幅节省电力成本的优势。GaN技术必将在卫星通信功率放大器的应用占据领先地位。

400W  GaN  SSPA