2020年迎來了第三代半導體氮化鎵(GaN)的應用浪潮，其應用範圍從汽車到音訊放大器。為此外媒allaboutcircuits採訪了GaN Systems執行長Jim Witham，以瞭解他為什麼認為2021年將有更多GaN被採用。

雖然20年前氮化鎵(GaN)電晶體曾是大學研究專案的重點，但這些器件現在已被整個行業廣泛採用--尤其是在2020年。

GaN電晶體現在是矽基FET的熱門替代品，因為它們具有極高的電子遷移率。這也使得GaN比矽基電晶體具有更小的導通電阻和更快的開關速度。

GaN與Si電晶體

GaN電晶體的驅動方式與傳統MOSFET相同，因此很容易整合到現有設計中。這就是為什麼2020年標誌著市場對GaN的接受度達到了一個高峰，比以往任何時候都有更多的電源、音訊放大器、資料中心和汽車系統採用了GaN。

GaN功率電晶體的市場機會在2020年猛增

中壓段：GaN的最佳選擇

首先，從快速充電器到資料中心，GaN似乎在許多關鍵行業都取得了長足發展。雖然GaN並不是所有電源應用的解決方案，但根據Witham的說法，它的“最佳電壓範圍”在60 V到1200 V之間。

"矽適用於低電壓(60 V及以下)和低功率，GaN是中等電壓(60-1200 V)和中等功率的理想選擇，而SiC和IGBT則適合高電壓(1200 V及以上)和高功率，"他認為。

充電器和介面卡

2020年GaN被廣泛採用的一個市場是手機、平板電腦和手持遊戲裝置等應用的充電器和介面卡市場。

造成這種需求的直接原因是快速充電的廣泛推動，特別是來自亞洲製造商的快速充電。更快的充電需要更高的功率，這通常意味著裝置尺寸更大。而採用GaN則可以比矽充電器實現更小的充電器和更高的功率。

安森美半導體基於GaN的電源 框圖

"尤其是華為、Oppo和小米都在真正推動快充。"Witham說。GaN Systems預測，隨著GaN成為行業標準，2021年其他大牌也會開始將自己的GaN充電器推向市場。

音訊

對小型、高質量、低功耗的音訊裝置的需求不斷增長，使得D類音訊放大器成為設計人員的最愛。依靠MOSFET輸出級，D類放大器依靠這些電晶體的快速開關速度，準確地再現了音訊波形。

對低功耗的小型高質量音訊裝置的需求不斷增長，使D類音訊放大器成為設計師的最愛。D類放大器依靠這些MOSFET電晶體的快速開關速度來準確地重建音訊波形。

完整的音訊放大器

GaN具有極高的開關速度，這是GaN超越矽的另一個方面，有時比矽基FET快1000倍。GaNSystems的白皮書對 這種出色的音訊質量進行了量化，表明基於GaN的D類放大器可以產生低至0.004％的總諧波失真（THD），而矽產品僅為0.015％。

資料中心

從GaN Systems的角度來看，GaN是日益繁重的資料中心的必不可少的支柱，隨著越來越多的人在家工作，資料中心正在管理空前的功耗和資料密度。該公司表示，GaN電晶體可以在三個關鍵領域做出顯著改進：

AC-DC電源，高壓進入伺服器機架，必須降壓才能為所有伺服器分配電源伺服器板上的DC-DC轉換器，將直流電壓（無論是12，V，24 V還是48 V）的電壓降低到低晶片級電壓UPS備用電源

實現更小，更高效的電源，將使資料中心可以在機架中放置更多伺服器，從而提高每平方米的利用效能。

汽車行業

GaN Systems認為大有可為的最後一個領域是汽車行業。事實上，去年豐田車展上就宣佈了一款 "全GaN "汽車。隨著國際政府和公眾對電動汽車的要求越來越高，除高階電池技術外，設計師還肩負著整合更小，功率密度更高的系統的任務。

與矽MOSFET相比，基於GaN的技術可使LiDAR中的鐳射訊號以更高的速度發射。

在Witham眼中，2021年“就是要看到GaN電晶體上路。”

關於GaN的成本、設計和“綠色”價值

據GaN Systems公司和許多其他半導體制造商稱，早期圍繞GaN的擔憂已不再迫在眉睫。

隨著產量的增加，GaN的成本也會下降，"Witham說。

談到設計學習曲線，Witham幽默地指出："GaN有點像法拉利，你必須學會如何駕駛它。"

與GaN FET半橋相比，傳統的高壓半橋。GaN對於Witham而言，最令人興奮的希望之一就是它將產生長期的環境影響。Witham認為：“我們正處於動力革命之中。我們看到了這些小型，輕便，高效的電力電子裝置的問世。。。他們將使地球變得更美好。”