功率半導體正在顯著影響下一代網絡的發(fā)展。寬帶隙 (WBG) 半導體材料在電信系統(tǒng)中的集成正在成為支持和增強 5G 基礎設施的戰(zhàn)略解決方案。

在連接方面，寬帶隙半導體比傳統(tǒng)硅器件具有顯著優(yōu)勢，使其成為先進電信環(huán)境中應用的理想選擇。隨著時間的推移，碳化硅和氮化鎵的重要性在這些材料的固有技術特性以及能源效率和熱管理方面的優(yōu)勢的支持下，5G 基礎設施的需求不斷增長。與前幾代電信相比，向 5G 網絡的過渡代表著范式的轉變。 5G 網絡有望顯著提高數(shù)據傳輸速度、減少延遲并能夠支持無數(shù)同時連接的設備。然而，這些功能需要能夠在苛刻的操作條件下運行的高效基礎設施。

電信行業(yè)中的寬帶隙材料

寬帶隙材料對于滿足電信系統(tǒng)的需求變得至關重要。這些材料提供比硅更高的電子遷移率，這使得設備能夠在更高的電壓和溫度下運行，而不會影響性能。這意味著減少功率損耗并提高電信系統(tǒng)的整體效率。

WBG 半導體(尤其是 GaN)的主要優(yōu)勢之一是它們能夠在高開關頻率下工作。 5G 網絡需要功率放大器能夠在 3 GHz 以上的頻率下高效運行，在某些情況下甚至高達 100 GHz?；?GaN 的器件可以在這些頻率下運行，而不受硅相關的限制設備。此功能對于 5G 基站的運行至關重要，5G 基站必須處理大量數(shù)據并以最小的功率損耗長距離傳輸信號。此外，GaN 的高開關效率可以減小濾波器和電感器等無源元件的尺寸，這些元件對于射頻 (RF) 電路的正常運行至關重要，這不僅可以降低設備的成本和重量而且還提高了其可靠性和壽命。

另一方面，SiC 對于高功率和熱管理應用特別有利。 5G基站經常需要在惡劣的環(huán)境下運行，散熱是首要問題。基于 SiC 的器件可以在比硅器件更高的溫度下運行，高達 200°C 或更高，而不會降低其性能。這消除了對復雜且昂貴的冷卻系統(tǒng)的需求，從而降低了運營成本并提高了可靠性。此外，SiC 還提供更強的電壓阻斷能力，這對于管理負載變化和確保峰值條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要，這一特性對于 5G 基站尤為重要，因為 5G 基站必須快速適應數(shù)據流量和電力需求的變化，同時保持高信號質量。

將 SiC 和 GaN 集成到 5G 網絡中的另一個重要方面是能源效率。隨著連接設備密度的不斷增加以及持續(xù)運行的需求，5G 網絡需要能夠最大限度降低功耗的解決方案。 WBG 材料通過其卓越的功率轉換效率和減少能量損失為這一目標做出了重大貢獻。例如，基于 GaN 的功率放大器可以實現(xiàn)超過 70% 的效率，而同等硅器件的效率通常為 50% 至 60%。效率的提高意味著功耗和熱量排放的減少，從而使基站和其他 5G 基礎設施的運行更加可持續(xù)。此外，SiC 器件在高電壓下運行的能力提高了用于為基站供電的電源轉換器的效率，進一步降低整體功耗。

熱管理是寬帶隙半導體具有顯著優(yōu)勢的另一個領域。由于高頻數(shù)據傳輸所需的高功率密度，5G 網絡會產生大量熱量。由于效率更高，在相同功率輸出下，GaN 產生的熱量比硅器件少，從而減少了對風扇和散熱器等主動冷卻系統(tǒng)的需求，這些系統(tǒng)不僅價格昂貴，而且體積龐大，而且可能容易出現(xiàn)故障。 SiC 在不影響性能的情況下在更高溫度下運行的能力提供了額外的優(yōu)勢，可以設計出更緊湊、更穩(wěn)健的系統(tǒng)。因此，這些材料在 5G 站中的組合可以更有效地解決熱挑戰(zhàn)，確保基礎設施更高的可靠性和耐用性。

在第五代網絡中使用 SiC 和 GaN 的另一個好處是可以減小基站的尺寸和重量，從而促進其在密集城市地區(qū)和偏遠地區(qū)的部署。 5G網絡需要比以前的網絡更廣泛的站點分布，以及更高的天線密度，以確保最佳覆蓋和低延遲。 WBG 設備結構緊湊、重量輕，因此即使在建筑物屋頂或現(xiàn)有城市結構等有限空間內，也可以設計更小且更易于安裝的站。這不僅降低了安裝成本，還便于維護和網絡升級，確保更大的運營靈活性。

除了技術方面之外，SiC和GaN在5G基礎設施中的集成帶來了經濟和環(huán)境方面的考慮。從經濟角度來看，盡管實施基于寬帶隙的器件的初始成本高于硅器件，但在降低運營成本、提高效率和器件壽命方面的長期效益足以抵消初始投資。此外，采用WBG技術可以通過降低功耗和冷卻要求(5G基站的主要運營成本)來加速投資回報。從環(huán)境角度來看，寬帶隙器件的更高效率有助于減少第五代網絡的碳足跡。更低的功耗意味著更少的 CO 2與發(fā)電相關的排放，從而有助于實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標。

SiC和GaN在5G基礎設施中的應用不僅限于基站。這些材料還用于用戶設備，例如智能手機和其他聯(lián)網設備。 GaN 能夠在高頻下工作且功耗低，使其成為射頻放大器和移動設備 IC 的理想選擇，有助于延長電池壽命并減少熱量積聚，從而改善用戶體驗并降低熱管理成本。與此同時，在快速充電器和無線充電設備的電源模塊中使用SiC有助于減少充電時間并提高效率，使5G移動設備更加高效和強大。

將 SiC 和 GaN 集成到 5G 系統(tǒng)中是解決下一代電信網絡技術和運營挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略步驟。 WBG 材料在能源效率、熱管理、減小尺寸和提高設備穩(wěn)健性方面具有顯著優(yōu)勢，使其成為支持 5G 基礎設施所需的高性能的理想選擇。盡管采用這些技術需要較高的初始投資，但在降低運營成本、環(huán)境可持續(xù)性和提高整體網絡性能方面的長期效益使 SiC 和 GaN 成為未來電信的戰(zhàn)略選擇。隨著連通性的不斷發(fā)展，這些材料的重要性可能會進一步增長，為無線通信及其他領域的新應用和創(chuàng)新鋪平道路。