基于GaAs 的LNA 的一個(gè)代表是HMC519LC4TR。這是一種來自Analog Devices 的18 到31 GHz pHEMT(假晶高電子遷移率晶體管)器件。這種無引線4×4 mm 陶瓷表面貼裝封裝可提供14 dB 的小信號(hào)增益，以及3.5 dB 的低噪聲系數(shù)和+ 23 dBm 的高IP3。該器件可從單個(gè)+3 V 電源提取75 mA 電流。

氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，因其內(nèi)在特性，被認(rèn)為是強(qiáng)大的半導(dǎo)體技術(shù)。GaN 器件，如射頻功率放大器或射頻開關(guān)，廣泛應(yīng)用于各種高功率或其他應(yīng)用。隨著開發(fā)技術(shù)、晶片尺寸增加和設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)/工具提升，使用GaN器件的應(yīng)用不斷增長。主要包括有致力于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的GaN技術(shù)，垂直GaN晶體管以及工作在數(shù)百千兆赫(GHz)甚至太赫茲(THz)的GaN器件。在絕緣體上GaN技術(shù)的兩種最常見的變體中，碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)上的GaN在功率應(yīng)用中超過了Si(硅)上的硅基氮化鎵(GaN-Si)，因?yàn)镾i上的GaN往往表現(xiàn)出更高的外延缺陷，而Si的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于SiC。還有其他小眾絕緣體上的GaN技術(shù)，如金剛石基GaN和藍(lán)寶石基GaN，但由于成本高和可用性有限，這些類型通常僅用于高功率軍事、航空航天和工業(yè)應(yīng)用。

氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的杰出代表，在T=300K時(shí)展現(xiàn)出卓越的性能，成為半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管的核心成分。這種人造材料，盡管在自然界難以形成，但在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過2000多度的高溫和近萬個(gè)大氣壓的環(huán)境，可以成功將金屬鎵與氮?dú)夂铣傻墶Ｅc前兩代半導(dǎo)體材料相比，GaN在電和光的轉(zhuǎn)化方面表現(xiàn)出色，微波信號(hào)傳輸效率更高，因此廣泛應(yīng)用于照明、顯示、通訊等多個(gè)領(lǐng)域。1998年，美國科學(xué)家更是突破性地研制出了首個(gè)氮化鎵晶體管。

由于氮化鎵擁有較寬的禁帶寬度，達(dá)到3.4eV，且與藍(lán)寶石等材料結(jié)合作為襯底，其散熱性能優(yōu)異，非常適合器件在大功率環(huán)境下工作。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料及其器件的深入研究與開發(fā)，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。如今，全球各大公司和研究機(jī)構(gòu)都在激烈競爭，爭相投入巨資開發(fā)藍(lán)光LED技術(shù)。新型電子器件,GaN的寬禁帶寬度(3.4eV)以及與藍(lán)寶石等材料的優(yōu)異襯底結(jié)合，賦予了它出色的散熱性能，從而確保了器件在大功率條件下的穩(wěn)定工作。

光電器件

GaN材料系列在短波長發(fā)光器件領(lǐng)域也展現(xiàn)出卓越性能。其帶隙廣泛覆蓋從紅色到紫外的光譜范圍，為各種光電器件的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自1991年日本成功研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色LED以來，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED以及InGaN單量子阱GaNLED等創(chuàng)新產(chǎn)品相繼涌現(xiàn)。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色LED已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，填補(bǔ)了市場上藍(lán)色LED的長期空白。藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤、全光顯示以及激光打印機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。隨著Ⅲ族氮化物材料和器件研究的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，全球各大公司和研究機(jī)構(gòu)正競相投入巨資，爭奪藍(lán)光LED市場的領(lǐng)先地位。

1993年，Nichia公司取得了重大突破，他們成功研制出了一種高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，其發(fā)光亮度超越了lcd。這款LED以摻Zn的GaInN為有源層，外量子效率高達(dá)2.7%，峰值波長精準(zhǔn)地位于450nm，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。僅兩年后，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW、亮度達(dá)6cd的商品化GaN綠光LED，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，Nichia公司更是利用其藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，創(chuàng)新地推出了白光固體發(fā)光器件，色溫為6500K，效率高達(dá)7.5流明/W。

對(duì)性能、微型化和更高頻率運(yùn)行的推動(dòng)正在挑戰(zhàn)無線系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵天線連接元器件的限制：功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)。使5G 成為現(xiàn)實(shí)的努力，以及PA 和LNA 在VSAT 端子、微波無線電鏈路和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的使用促成了這種轉(zhuǎn)變。

這些應(yīng)用的要求包括較低噪聲(對(duì)于LNA)和較高能效(對(duì)于PA)以及在高達(dá)或高于10 GHz 的較高頻率下的運(yùn)行。為了滿足這些日益增長的需求，LNA 和PA 制造商正在從傳統(tǒng)的全硅工藝轉(zhuǎn)向用于LNA 的砷化鎵(GaAs) 和用于PA 的氮化鎵(GaN)。

LNA 的作用是從天線獲取極其微弱的不確定信號(hào)，這些信號(hào)通常是微伏數(shù)量級(jí)的信號(hào)或者低于-100 dBm，然后將該信號(hào)放大至一個(gè)更有用的水平，通常約為0.5 到1 V。具體來看，在50 Ω 系統(tǒng)中10 μV 為-87 dBm，100 μV 等于-67 dBm。利用現(xiàn)代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)這樣的增益，但LNA 在微弱的輸入信號(hào)中加入各種噪聲時(shí)，問題將遠(yuǎn)不是那么簡單。LNA 的放大優(yōu)勢(shì)會(huì)在這樣的噪聲中完全消失。注意，LNA 工作在一個(gè)充滿未知的世界中。作為收發(fā)器通道的前端，LNA 必須能捕捉并放大相關(guān)帶寬內(nèi)功耗極低的低電壓信號(hào)以及天線造成的相關(guān)隨機(jī)噪聲。在信號(hào)理論中，這種情況稱作未知信號(hào)/未知噪聲難題，是所有信號(hào)處理難題中最難的部分。

功耗和能效在LNA 中通常不屬于首要問題。就本質(zhì)而言，絕大多數(shù)LNA 是功耗相當(dāng)?shù)颓译娏飨脑?0 - 100 mA 之間的器件，它們向下一級(jí)提供電壓增益，但不會(huì)向負(fù)載輸送功率。此外，系統(tǒng)中僅采用一個(gè)或者兩個(gè)LNA(后者常用于Wi-Fi 和5G 等接口的多功能天線設(shè)計(jì)中)，因此通過低功耗LNA 節(jié)能的意義不大。除工作頻率和帶寬外，各種LNA 相對(duì)來講在功能上非常相似。一些LNA 還具有增益控制功能，因此能夠應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的寬動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)出現(xiàn)過載、飽和。在基站至手機(jī)通道損耗范圍寬的移動(dòng)應(yīng)用中，輸入信號(hào)強(qiáng)度變化范圍如此之寬的情況會(huì)經(jīng)常遇到，即使單連接循環(huán)也是如此。

輸入信號(hào)到LNA 的路由以及來自其輸出信號(hào)與元器件本身的規(guī)格一樣重要。因此，設(shè)計(jì)人員必須使用復(fù)雜的建模和布局工具來實(shí)現(xiàn)LNA 的全部潛在性能。由于布局或阻抗匹配不佳，優(yōu)質(zhì)元器件可能容易劣化，因此務(wù)必要使用供應(yīng)商提供的史密斯圓，以及支持仿真和分析軟件的可靠電路模型。由于這些原因，幾乎所有在GHz 范圍內(nèi)工作的高性能LNA 供應(yīng)商均會(huì)提供評(píng)估板或經(jīng)過驗(yàn)證的印刷電路板布局，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)置的每個(gè)方面都至關(guān)重要，包括布局、連接器、接地、旁路和電源。沒有這些資源，設(shè)計(jì)人員就需要浪費(fèi)時(shí)間來評(píng)估元器件在其應(yīng)用中的性能。

氮化鎵(化學(xué)式GaN)是一種無機(jī)化合物，其晶體結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度極高。它的禁帶寬度為3.4eV(電子伏特)，屬于直接帶隙半導(dǎo)體，這使得它在高功率、高頻電子器件和光電器件中表現(xiàn)優(yōu)異。?耐高溫性?：可在1700℃高溫下保持穩(wěn)定，抗輻射和耐酸堿腐蝕。?電子性能?：電子飽和漂移速度高(約2.5×1072.5×107 cm/s)，適合高頻應(yīng)用如5G通信射頻功率放大器。

?光電器件?：早期用于發(fā)光二極管(LED)，尤其是紫光激光二極管(405nm)，無需復(fù)雜泵浦技術(shù)即可生成激光。?電力電子?：用于氮化鎵充電器，通過高頻開關(guān)(MHz級(jí))縮小體積，提升效率(如65W充電器僅傳統(tǒng)硅基一半大小)。?通信技術(shù)?：5G基站的高頻功率放大器依賴GaN的高電子遷移率和低能耗特性。

2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予赤崎勇、天野浩和中村修二，表彰其在GaN基LED的貢獻(xiàn)。目前，GaN正逐步替代硅基材料，尤其在快充領(lǐng)域(如華為、小米的氮化鎵充電器)和新能源汽車電源系統(tǒng)中。作為第三代半導(dǎo)體代表，GaN在智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心電源等領(lǐng)域仍有待開發(fā)潛力，其寬禁帶特性可支持更高電壓和更高效能源轉(zhuǎn)換。