寬帶隙半導體，不可或缺 - asiasworldcity.hk

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如果您希望可以時常見面，歡迎標星收藏哦~來源：內容編譯自electropages 。西方國家正在加大國防開支，投資在智能軍事技術上。其中，排名靠前的包括更強大的新型雷達、抗干擾高頻通信系統、射程更遠、精度更高的導彈以及電子對抗系統。所有這些加起來，就是需要在千兆赫級頻率下運行，並且功率比以往任何時候都要大。新設備可能需要在太空中運行，因爲即使在現在，太空仍然是軍事競爭的戰場，未來甚至會更加如此。無論部署在太空、飛機上還是地面上，對更輕、更小、更堅固耐用的裝備的需求都至關重要。這些問題很大一部分可以通過使用基於SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）的半導體來解決。它們統稱爲寬帶隙半導體，與即將被廣泛取代的傳統硅基器件相比，具有獨特的優勢。寬帶隙半導體 (WBG) 是基於導帶和價帶之間具有較大間隙的材料。這正是其能夠在與砷化鎵或硅半導體相同尺寸的器件中處理更大功率的原因。與傳統的硅相比，WBG 可以在更高的頻率下工作。它們可以取代在雷達等應用中用作功率輸出級的行波管。這同樣可以節省重量和空間，並提高機械可靠性。寬帶隙半導體不僅能夠在更高的溫度下工作，還能更好地傳導產生的熱量，從而減輕熱管理的挑戰。這些對於任何類型的電子設備來說都是重要的因素，對於軍事應用來說或許更爲重要。地球大氣層及其磁場保護着地球表面免受太空中高濃度輻射的侵襲。軍用衛星、導彈和空間站如今已不再享有這種保護，而作爲其核心的半導體則變得異常脆弱。然而，與傳統的硅基半導體相比，GaN 和 SiC 器件在各種情況下都能提供不同程度的防護，抵禦這些輻射。這將減少對機械屏蔽的需求，從而進一步減輕重量並釋放更多空間。衆所周知，GaN晶體管擁有超快的10 MHz開關頻率，使其成爲電壓轉換器的關鍵元件——但且慢。如果GaN晶體管只能在10 MHz範圍內切換，那麼它們在工作頻率遠超千兆赫茲的雷達系統中又有何用處呢？答案在於開關頻率和工作頻率之間的差異。開關頻率是我們討論電壓轉換器或電動汽車牽引轉換器等時常用的術語。在這些應用中，會發生硬開關——晶體管完全導通和完全關斷，從而產生脈動直流電。工作頻率涉及在小信號線性模式下使用GaN晶體管。此時，它們不會完全開啓或關閉，而是以更高的速度在模擬模式下工作，可用於放大GHz範圍的正弦信號，而這正是雷達的核心。有趣的是， GaN 的開關速度比 SiC 稍快，但 SiC 設備可以處理更大的功率。SiC 和 GaN 的寬帶隙特性意味着，與硅相比，它們需要更多的輻射能量才能產生有害效應。GaN 可能被認爲具有更高的總電阻，但其優勢並非顯而易見。設計人員必須考慮預期的輻射類型以及器件的預期工作時間。與硅基技術需要經過特殊處理來保護半導體免受總電離劑量 (TID)的輻射影響不同，氮化鎵 (GaN) 器件的物理特性和結構使其相對而言不易受到太空輻射造成的損害。雖然GaN本身具有抗伽馬射線和中子輻射的特性，但大規模重離子轟擊產生的單粒子效應(SEE) 可能是一箇問題。然而，“採用特殊的工藝和設計，eGaN器件可以像本身抗TID一樣，具有抗SEE的特性。碳化硅 (SiC) 堅固的晶格結構使其能夠有效抵禦高能粒子的侵襲。與硅相比，它還能有效抵抗輻射累積效應 (TID) 和大規模單粒子效應 (SEE) 。美國陸軍已開始生產低層防空反導傳感器（LTAMDS）。其目標是取代著名的“愛國者”導彈防禦系統的核心雷達系統。這款雷達採用先進的GaN功率半導體，是ASEA（有源電子掃描陣列）系統的一箇示例。與傳統雷達不同，它們無需使用大型彎曲天線，無需機械旋轉360°即可掃描天空。它們屬於相控陣天線系統，在平面上部署了大量小型電子射頻發射器。通過改變每個發射器相對於其他發射器的相對相位，產生的波束可以通過相長干涉和相消干涉被引導至任何位置。新型 LTAMDS 的一大優勢在於，它配備了三組射頻發射器，而非單組。這些發射器彼此以一定角度安裝，可以同時掃描 360° 天空。相控陣系統有很多優點。光束的方向，懷疑和搜尋目標的天空空間，幾乎可以在瞬間改變。它們可以同時形成多束光束，同時跟蹤多箇目標。它們可以經常改變發射頻率（跳頻），使敵人更難以確定系統位置。沒有大型、麻煩的旋轉機械天線會導致可靠性問題。抗干擾通信對於在敵方電子對抗區域作戰的士兵至關重要。解決方案之一是利用戰鬥無線電發射高功率、高頻射頻信號，以壓制敵方的干擾。由於硅本身的侷限性，傳統的硅基系統很難實現這一點。在一箇足夠小、可以隨身攜帶的系統內產生足夠強大的信號將充滿困難。解決方案再次是寬帶隙半導體（WGB）。由於WGB散熱效率更高，從而減少了對散熱器的需求，重量得以減輕。更高的功率密度減少了空間需求，而更高的總功率效率意味着電池更小、更輕。最後，GaN可以輕鬆支持軍事通信中常見的Ku波段和X波段頻率。SiC 意味着更高的功率，而導彈本身就是高功率系統。它們配備了高功率電壓轉換器和動力裝置，必須完美地控制導彈的轉向機構和執行器。SiC 還能承受武器高達 600℃ 的高溫環境，而硅材料在這種環境下會失效。高度堅固的 SiC 半導體可以滿足導彈起飛階段的極端要求，並且實際上能夠在鼻錐區域內生存諸如 SiC 和 GaN 之類的寬帶隙半導體比傳統的硅基半導體具有更高的速度和功率。它們還具有更佳的散熱性能，並且在給定面積內能夠提供更大的功率。此外，對於太空應用而言，它們還具有顯著更高的抗輻射性能。設計人員必須意識到，開關速度和工作速度之間存在兩個以上數量級的差異。這種二分法並未得到應有的重視，並且可能造成混淆。有了激光制導導彈，西方導彈的射程將更遠、精度更高，雷達也將更加強大、功能更加多樣，並且能夠抵抗敵人的探測。由於上述因素，前線部隊將配備抗干擾便攜式無線電設備。全球半導體制造商正致力於降低 SiC 的生產成本，並通過擴大晶圓尺寸來提高可製造性。SiC和 GaN 並非寬帶隙 (WBG) 領域的最終選擇。雷神公司（RTX旗下子公司）已獲得美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的合同，用於開發基礎超寬帶隙半導體（ UWBGS）。這些新器件將基於金剛石和氮化鋁技術，爲電子應用提供更強大的功率輸出和熱管理。雷神公司表示：“UWBGS 獨特的材料特性使其相較於傳統半導體技術具有多項優勢，可實現高度緊湊、超高功率的射頻開關、限幅器和功率放大器。其高導熱性還使其能夠在更高的溫度和更極端的環境下工作。”https://www.electropages.com/blog/2025/05/wide-bandgap-semiconductors-key-modern-military-technology半導體精品公衆號推薦專注半導體領域更多原創內容關注全球半導體產業動向與趨勢*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4042期內容，歡迎關注。『半導體第一垂直媒體』實時專業原創深度公衆號ID：icbank喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦

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