自 2013 年左右以来，我一直在广泛使用 GaN，主要用于可以轻松受益于 GaN 相对于 Si 的一个巨大优势的利基应用——辐射耐受性。没有栅极氧化物会刺穿和遭受 SEGR 的影响，公共研究表明，这些部件的寿命超过 1MRad，并且退化最小。小尺寸也令人惊叹——大约只有四分之一或两个（硬币）大小，您可以轻松实现 10A+ DC/DC 转换器。再加上使用含铅焊条购买它们的能力，以及一些第三方将它们包装在密封封装中的能力，它们就是未来。

它更昂贵，并且使用起来“更棘手”。没有栅极氧化物，只有金属-半导体结，因此栅极驱动电压受到高度限制（对于 EPC 构建的增强模式）——任何过电压都会损坏部件。目前只有少数公开可用的栅极驱动器——人们刚刚开始构建更多的驱动器，并为我们提供比 National LM5113 更多的选择。您将看到的“规范”实现是 BGA LM5113 + LGA GaN FET，因为即使是其他封装中的键合线也会增加太多电感。提醒一下，这是铃声的来源：

EPC 的 eGaN 器件使用 2DEG，在我们的应用中可归类为 HEMT。这就是他们许多愚蠢的低 RDS(on) 的来源——它通常是个位数的毫欧。它们的速度非常快，这意味着您必须非常注意米勒效应引起的开启。此外，如上所述，开关环路中的寄生电感在这些速度下变得更加关键——实际上，您必须考虑您的电介质厚度和元件放置，以保持低环路电感（<3nH 没问题，IIRC，但作为下面讨论，它可以/应该低得多），如下所示：

对于 EPC，它们也是在传统的铸造厂建造的，从而降低了成本。其他人包括 GaN 系统、Triquint、Cree 等——其中一些专门用于 RF 目的，而 EPC 主要针对功率转换/相关应用（LIDAR 等）。GaN 本身也是耗尽模式，因此人们有不同的解决方案来增强它们，包括在栅极上简单地堆叠一个小型 P 沟道 MOSFET 以反转其行为。

另一个有趣的行为是“缺乏”反向恢复电荷，其代价是在该状态下二极管压降高于硅。这是一种营销方式——他们告诉你“因为在增强型 GaN HEMT 中没有少数载流子参与传导，所以没有反向恢复损耗”。他们掩饰的一点是，与 Si FET 中的 0.8V 相比，V_{SD} 通常在 2-3V+ 范围内上升——这只是作为系统设计人员需要注意的事情。

我也将再次触及栅极——您的驱动器基本上必须在内部保留一个 ~5.2V 自举二极管，以防止部件上的栅极破裂。栅极迹线上的任何多余电感都可能导致振铃，从而损坏器件，而您的普通 Si MOSFET 通常具有大约 +/-20V 左右的 Vgs。我不得不用热风枪替换 LGA 零件，因为我搞砸了。

总的来说，我是我的应用程序部件的粉丝。我认为 Si 的成本还没有降低，但如果你正在做小众工作或想要尽可能高的性能，GaN 是可行的方法——谷歌小盒子挑战赛的获胜者使用的是基于 GaN 的在他们的转换器的功率级。硅仍然很便宜，易于使用，人们理解它，尤其是从可靠性 POV 来看。GaN 供应商不遗余力地证明他们的器件可靠性数据，但 MOSFET 在器件物理级别拥有数十年的经验教训和可靠性工程数据，以使人们相信该部件不会随着时间的推移而烧毁。

如果它用于 IC 中，它肯定必须补偿

不，它不是有几个原因：

• 在当今的 IC 制造工艺中，GaN 晶体管不容易制造
• 并非每个应用都需要最快的晶体管
• 并非每个应用都需要最低的导通电阻
• 并非每个应用都需要高温行为
• GaN 晶体管不能做得像最小的 MOS 晶体管一样小

将其与已上市多年的SiGe（硅锗）进行比较。它有更快的（双极）晶体管。到处都用吗？不，因为很少有 IC 使用双极晶体管。当今 99% 的 IC 使用 CMOS 晶体管，这使得 SiGe 制造工艺成为一种利基应用。

GaN 也是如此，它只对功率晶体管有用。IC一般不需要这种功率晶体管。

氮化镓集成电路

目前 GaN 在典型的 IC 应用中无法超越硅，因为光刻和工艺不如硅成熟，CMOS GaN 仍处于早期研究阶段。GaN 已经可以实现多晶体管集成，但主要应用是功率开关，因为这是可以实现大部分优势的地方。对于大量电路，成功的 GaN 实施是不可能的，或者仅具有特定用途。例如，用当前技术无法实现 GaN 微控制器。

但是，在电源电路中，您可以使用当前的 GaN 器件实现许多优势：

更快的开关（对于给定的裸片面积，较低的 R _{DS(on) ）}

大功率开关速度带来了管理寄生电感的重大责任。您会看到环路电感高于 1 nH 的不利电路行为，并且很难在您的布局中避免如此多的电感。对于许多硅电路，你可以逃脱相对谋杀。为了充分利用这些晶体管，您必须注意电源转换器布局的所有方面，远远超出硅设计通常所需的详细程度。

更小的包装

包装也更小，EPC 销售的基本上是焊料凸块芯片，您可以直接回流到 PCB 上。例如，这个40V、16mΩ、10A 器件的尺寸为 1.7mm x 1.1mm，或者比 0603 电阻器的尺寸大一点。必须为 BGA 式技术而不是较大的 SMT 零件或通孔准备处理和加工。

良好的温度行为

如果你需要在它旁边有一个标准的硅部件来控制它，那么良好的温度操作是没有用的。

低栅极驱动电压

低栅极电压驱动（对于 EPC 部件通常为 5V）也与低最大栅极电压（-4V 至 +6V Vgs 对于上面链接的部件）相匹配。这意味着您的栅极驱动器必须保持稳定，以防止设备损坏自身，并且（再次）您的布局必须良好。这已经变得更好，但仍然是一个问题。

很多人都希望看到 GaN 作为硅部件的直接替代品的好处。按照这个速度，确保稳定和安全运行所需的额外工作以及利用更快开关速度所需的工作意味着它不会简单地取代旧设计中的硅 FET。正如FakeMoustache 所提到的，您并不总是需要顶级性能（有时晶体管甚至不是弱点）。

GaN 在射频放大和功率转换（开关电源）中变得有用。在后一种情况下，它比硅需要更少的冷却，在前一种情况下它可以运行得更快。

但对于射频放大用途，它不仅与 Si 竞争，还与 GaAs（例如 MMIC）和 SiGe 竞争。对于功率转换，SiC 也变得有趣。

但这不仅仅是成本和竞争技术。对于导通电阻和开关速度而言，最好的 GaN 器件是 HEMT。GaN HEMT 是常开器件¹，需要负栅极偏置才能将其关闭。这增加了系统的成本和复杂性，还意味着控制电路故障可能导致晶体管故障，如果您正在处理 HVDC 等问题，这将是“有趣的”。

GaN 必须在异质衬底上生长，这使得生长更加困难（进一步增加了成本）。尽管经过多年的研究，这仍然会影响外延层的材料质量，并影响性能/寿命的权衡。

因此，GaN 很可能是对某些利基应用非常有用的技术，如果它的发展速度快于某些竞争对手的技术，它就会变得更加主流。

¹我曾在具有正阈值电压的硅衬底上使用一些 GaN HEMT，但我认为还没有任何产品进入市场。