摘要：西方国家正在加大国防开支，投资在智能军事技术上。其中， 排名靠前的包括更强大的新型雷达、 抗干扰高频通信系统、射程更远、精度更高的导弹以及电子对抗系统。

西方国家正在加大国防开支，投资在智能军事技术上。其中， 排名靠前的包括更强大的新型雷达、 抗干扰高频通信系统、射程更远、精度更高的导弹以及电子对抗系统。

所有这些加起来，就是需要在千兆赫级频率下运行，并且 功率比以往任何时候都要大。新设备可能需要在太空中运行，因为即使在现在，太空仍然是军事竞争的战场，未来甚至会更加如此。无论部署在太空、飞机上还是地面上，对更轻、更小、更坚固耐用的装备的需求都至关重要。

这些问题很大一部分 可以通过使用基于SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）的半导体来解决。它们统称为宽带隙半导体，与即将被广泛取代的传统硅基器件相比，具有独特的优势 。

宽带隙半导体 (WBG) 是基于导带和价带之间具有较大间隙的材料。这正是其能够在 与砷化镓或硅半导体相同尺寸的器件中处理更大功率的原因。与传统的硅相比，WBG 可以在更高的频率下工作。 它们可以取代在雷达等应用中用作功率输出级的行波管 。 这同样可以节省重量和空间，并提高机械可靠性。

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，从而减轻热管理的挑战。 这些对于任何类型的电子设备来说都是重要的因素 ，对于军事应用来说或许更为重要。

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 。 军用卫星、导弹和空间站如今已不再享有这种保护，而作为其核心的半导体则变得 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。

众所周知，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——但且慢。如果GaN晶体管只能在10 MHz范围内切换，那么它们在工作频率远超千兆赫兹的雷达系统中又有何用处呢？答案在于开关频率和工作频率之间的差异。

开关频率 是我们讨论电压转换器或电动汽车牵引转换器等时常用的术语。在这些应用中，会发生硬开关——晶体管完全导通和完全关断，从而产生脉动直流电。

工作频率涉及在小信号线性模式下使用GaN晶体管。此时，它们不会完全开启或关闭，而是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，而这正是雷达的核心。

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。

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 。GaN 可能被认为具有更高的 总 电阻，但其优势并非显而易见。设计人员必须考虑预期的辐射类型以及 器件的预期工作时间。

与硅基技术需要经过特殊处理来保护半导体免受总电离剂量 (TID)的辐射影响不同 ， 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GaN本身具有抗伽马射线和中子辐射的特性，但 大规模重离子轰击产生的单粒子效应(SEE) 可能是一个问题。然而，“采用特殊的工艺和设计，eGaN器件可以像本身抗TID一样，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。 与硅相比，它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）。其目标是取代著名的“爱国者”导弹防御系统的核心雷达系统。

这款雷达采用先进的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，它们无需使用大型弯曲天线，无需机械旋转360°即可扫描天空。它们属于相控阵天线系统， 在平面上部署了大量小型电子射频发射器。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 的一大优势在于，它配备了三组射频发射器， 而非单组。这些发射器彼此以一定角度安装，可以同时扫描 360° 天空。

相控阵系统有很多优点。

光束的方向，怀疑和搜寻目标的天空空间，几乎可以在瞬间改变。

它们可以同时形成多束光束，同时跟踪多个目标。

它们可以经常改变发射频率（跳频），使敌人更难以确定系统位置。

没有大型、麻烦的旋转机械天线会导致可靠性问题。

抗干扰通信对于在敌方电子 对抗区域作战的士兵至关重要。解决方案之一是 利用战斗无线电 发射 高功率、高频射频信号，以压制敌方的干扰。

由于硅本身的局限性，传统的硅基系统很难实现这一点 。 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将充满困难。

解决方案再次是宽带隙半导体（WGB）。由于WGB散热效率更高，从而减少了对散热器的需求，重量得以减轻。 更高的功率密度减少了空间需求，而更高的 总功率效率意味着电池更小、更轻。

最后，GaN可以轻松支持军事通信中常见的Ku波段和X波段频率。

SiC 意味着更高的功率，而导弹本身就是高功率系统。它们配备了高功率电压转换器和动力装置，必须完美地控制导弹的转向机构和执行器。SiC 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

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。它们还具有更佳的散热性能，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 。这种二分法并未得到应有的重视， 并且可能造成混淆。

有了激光制导导弹，西方导弹的射程将更远、精度更高，雷达也将更加强大、功能更加多样，并且 能够 抵抗敌人的探测。

由于上述因素，前线部队将配备抗干扰便携式无线电设备。

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。”

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来源：半导体行业观察一点号