宽带隙半导体：军事应用中的卓越之选

在当今的科技发展浪潮中，宽带隙半导体正逐渐崭露头角，成为电子行业尤其是军事领域不可或缺的关键元素。

西方国家近年来不断加大国防开支，大力投资智能军事技术。其中，新型雷达、抗干扰高频通信系统、高精度导弹以及电子对抗系统等成为重点发展方向。这些军事装备都对运行频率和功率提出了更高要求，同时，对于装备的轻量化、小型化和坚固耐用性也有着迫切需求。无论是部署在太空、飞机还是地面，更轻、更小、更耐用的装备都是军事应用的理想选择。

而基于 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）的宽带隙半导体，为解决这些问题提供了有效的途径。与传统的硅基器件相比，宽带隙半导体具有诸多独特优势。从物理特性上来说，宽带隙半导体（WBG）基于导带和价带之间具有较大间隙的材料，这使得它能够在与砷化镓或硅半导体相同尺寸的器件中处理更大功率。同时，与传统硅相比，WBG 可以在更高的频率下工作，能够取代雷达等应用中用作功率输出级的行波管，从而节省重量和空间，并提高机械可靠性。

在热管理方面，宽带隙半导体不仅能够在更高的温度下工作，还能更好地传导产生的热量，大大减轻了热管理的挑战。这对于任何类型的电子设备都至关重要，而在军事应用中，其重要性更是不言而喻。

太空环境中的辐射问题一直是军事装备面临的一大挑战。地球大气层及其磁场保护着地球表面免受太空中高浓度辐射的侵袭，但军用卫星、导弹和空间站则失去了这种保护，其核心的半导体变得异常脆弱。然而，与传统的硅基半导体相比，GaN 和 SiC 器件在各种情况下都能提供不同程度的防护，抵御这些辐射。这将减少对机械屏蔽的需求，从而进一步减轻重量并释放更多空间。

在具体应用方面，GaN 晶体管拥有超快的 10 MHz 开关频率，使其成为电压转换器的关键元件。但在工作频率远超千兆赫兹的雷达系统中，其作用则基于开关频率和工作频率的差异。开关频率常用于电压转换器或电动汽车牵引转换器等应用，晶体管会完全导通和完全关断，产生脉动直流电。而工作频率则涉及在小信号线性模式下使用 GaN 晶体管，此时它们以更高的速度在模拟模式下工作，可用于放大 GHz 范围的正弦信号，这正是雷达的核心功能。有趣的是，GaN 的开关速度比 SiC 稍快，但 SiC 设备可以处理更大的功率。

在抗辐射性能上，SiC 和 GaN 的宽带隙特性意味着，与硅相比，它们需要更多的辐射能量才能产生有害效应。氮化镓（GaN）器件的物理特性和结构使其相对而言不易受到太空辐射造成的损害，虽然大规模重离子轰击产生的单粒子效应（SEE）可能是一个问题，但采用特殊的工艺和设计，eGaN 器件可以具有抗 SEE 的特性。碳化硅（SiC）坚固的晶格结构使其能够有效抵御高能粒子的侵袭，还能有效抵抗辐射累积效应（TID）和大规模单粒子效应（SEE）。

美国陆军已开始生产低层防空反导传感器（LTAMDS），该雷达采用先进的 GaN 功率半导体，是 ASEA（有源电子扫描阵列）系统的一个示例。与传统雷达不同，它无需使用大型弯曲天线，无需机械旋转 360° 即可扫描天空，通过改变每个发射器相对于其他发射器的相对相位，产生的波束可以通过相长干涉和相消干涉被引导至任何位置。新型 LTAMDS 配备了三组射频发射器，可以同时扫描 360° 天空，具有光束方向改变迅速、可同时跟踪多个目标、可跳频抗干扰以及可靠性高等优点。

在抗干扰通信方面，宽带隙半导体也发挥着重要作用。传统的硅基系统由于硅本身的局限性，很难在一个足够小、可以随身携带的系统内产生足够强大的信号来压制敌方干扰。而宽带隙半导体（WGB）散热效率更高，减少了对散热器的需求，减轻了重量；更高的功率密度减少了空间需求，更高的总功率效率意味着电池更小、更轻。此外，GaN 可以轻松支持军事通信中常见的 Ku 波段和 X 波段频率。

对于导弹而言，SiC 意味着更高的功率，能够满足导弹高功率电压转换器和动力装置的需求，还能承受武器高达 600℃的高温环境，而硅材料在这种环境下会失效。高度坚固的 SiC 半导体可以满足导弹起飞阶段的极端要求，并且实际上能够在鼻锥区域内生存。

综上所述，诸如 SiC 和 GaN 之类的宽带隙半导体比传统的硅基半导体具有更高的速度和功率，更佳的散热性能，并且在给定面积内能够提供更大的功率。此外，对于太空应用而言，它们还具有显著更高的抗辐射性能。设计人员必须意识到开关速度和工作速度之间存在两个以上数量级的差异，避免造成混淆。

随着军事技术的不断发展，全球半导体制造商正致力于降低 SiC 的生产成本，并通过扩大晶圆尺寸来提高可制造性。SiC 和 GaN 并非宽带隙（WBG）领域的最终选择，雷神公司（RTX 旗下子公司）已获得美国国防部高级研究计划局（DARPA）的合同，用于开发基础超宽带隙半导体（UWBGS）。这些新器件将基于金刚石和氮化铝技术，为电子应用提供更强大的功率输出和热管理。雷神公司表示：“UWBGS 独特的材料特性使其相较于传统半导体技术具有多项优势，可实现高度紧凑、超高功率的射频开关、限幅器和功率放大器。其高导热性还使其能够在更高的温度和更极端的环境下工作。” 可以预见，宽带隙半导体将在未来的军事技术发展中发挥更加重要的作用。