5G 技術的進步正在推動半導體行業面臨新的技術挑戰。5G 服務以更高的頻率工作，以確保更高的傳輸速率和極低的延遲。使用新頻率會產生功率效率問題，從而需要新的解決方案。

5G 不僅僅是一個更快的 4G 移動網絡。5G 被認為是“新”網絡，是管理物聯網的基礎設施候選者。而且速度很快。運行 5G 的網絡將比現有的 4G 網絡快 20 倍，使視頻下載速度快 10 倍。氮化鎵 （GaN）、碳化硅 （SiC） 和砷化鎵 （GaAs） 等高性能功率半導體和化合物半導體在 5G 終端產品開發過程中發揮著關鍵作用。

5G 和功耗 憑借前所未有的復雜性，下一個 5G 技術將在未來幾年通過使其完全智能化來徹底改變行業。這種變化的挑戰是巨大的：超高帶寬、高達 1 毫秒的延遲以及高度可靠的連接。此外，RF 架構需要可擴展、高效且極其緊湊。5G 不僅需要在宏觀層面上安裝更多基站，還需要在設備層面實現高功率密度。

為了滿足更低功耗、更小外形尺寸和更好的熱管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技術的射頻功率放大器開始引領 4G 時代的到來。GaN 憑借其改進的功率性能有望成為市場的主流。

此外，與硅 （Si） 相比，SiC 器件具有更低的成本和更好的性能，而 GaN-on-SiC 可以提供最佳的整體價值。特別是，GaN-on-SiC 的熱導率是 GaN-on-Si 的 3 倍。

同時，GaN 和 GaAs 功率半導體比傳統的 Si 基半導體具有更多優勢，例如更高的開關速度、更低的電流損耗和更高的功率密度。材料供應商正在實施新的制造解決方案，以提供更低的成本和更容易采用。特別是GaN和GaAs化合物半導體的制造工藝有望取得進一步進展。

根據 ABI Research 的數據，在 5G 應用的推動下，射頻功率半導體的支出持續增長，在 2019 年達到近 20 億美元。市場分析表明，無線基礎設施領域經歷了重大轉變，所有其他領域都在經歷強勁增長。LDMOS 發揮著重要作用，但 GaN 繼續爭奪市場份額，通過縮小與其他更老的硅基技術之間的差距來解決市場所需的許多技術挑戰。

據 ABI Research 稱，無線基礎設施市場約占總銷售額的 75%，并且在 5G NR 中頻的推動下表現異常出色。在無線基礎設施之外，RF 功率半導體采用增長最為強勁的垂直市場是商業航空電子設備和空中交通管制。

推薦 的 GaN 和 SiC 功率器件為軍用/航空系統帶來巨大優勢

與 LDMOS 相比，GaN-on-SiC 為 5G 技術提供了顯著的改進，例如出色的熱特性，并且在更高頻率的 5G 應用中效率更高。

智慧城市的 5G 用例（圖片：英飛凌科技）

以下是適用于 5G 應用的射頻功率 IC 示例。

Analog Devices Inc. 由 Analog Devices Inc. （ADI） 提供的功率放大器基于 GaN 和 GaAs 半導體技術，頻率范圍為千赫至 95 GHz。除了裸芯片和表面貼裝元件，該公司的產品組合還包括輸出功率超過 8 kW 的基于 GaN 的功率放大器模塊。

ADPA7002CHIP 是一款 GaAs、單片微波集成電路 （MMIC）、假晶高電子遷移率晶體管 （pHEMT）、分布式功率放大器，工作頻率為 20 GHz 至 44 GHz。該放大器提供 15 dB 的小信號增益、1 dB 增益壓縮 （P1dB） 下的 28 dBm 輸出功率和 40 dBm 的典型輸出三階截距 （IP3）。

ADPA7002CHIP 的功能圖（圖片：Analog Devices Inc.）

Infineon Technologies AG Infineon Technologies 為 6 GHz 以上的集成架構提供 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 射頻功率技術，并為 6 GHz 以下的高穩健性系統提供 LDMOS。封裝創新使 Doherty 集成寬帶放大器成為可能。

適用于移動和低功耗基礎設施的靈活射頻解決方案，包括 SiGe、BiCMOS、GaN 毫米波和 CMOS 射頻技術，通過從成本優化到高集成度設計的替代選項滿足最佳性能要求。

隨著 CPU 電流要求的增加以支持下一代人工智能和 5G 電網工作負載，DC/DC 穩壓器必須為負載提供超過 500 A 的電流。XDPE132G5C控制器采用真正的 16 相 PWM 數字算法，可滿足這些高相數要求。

通信系統中最先進的 ASIC 和 FPGA 要求 V OUT控制步長小于 1 mV。這是 XDPE132G5C 所固有的，它以 0.625-mV 的增量提供精細的 V OUT控制。此外，該解決方案支持自動重啟要求，并提供選項以減少因電源問題導致的遠程站點維護。

NXP Semiconductors NXP Semiconductors 提供多種射頻功率器件，包括 GaN、LDMOS、SiGe 和 GaAs 技術。一個例子是 MMRF5014H，這是一款 125W 連續波 （CW） 射頻功率晶體管，針對高達 2，700 MHz 的寬帶操作進行了優化，它還包括用于擴展帶寬性能的輸入匹配。該器件具有高增益和高耐用性，非常適合 CW、脈沖和寬帶射頻應用。該器件采用先進的 GaN-on-SiC 技術構建，適用于軍事和商業應用，包括窄帶和多倍頻程寬帶放大器、雷達、干擾器和 EMC 測試。

LDMOS 功率放大器專為 TDD 和 FDD LTE 系統而設計。AFSC5G23D37 是一款完全集成的 Doherty 功率放大器模塊，專為需要在最小尺寸內獲得高性能的無線基礎設施應用而設計。目標應用包括大規模 MIMO 系統、小型室外蜂窩和低功率遠程無線電頭端。

隨著蜂窩市場向更高頻率和更高功率水平發展，GaN 技術提供了最先進的線性化和射頻性能，以簡化 5G 部署。這些解決方案還通過實現更小、更輕的有源天線系統和多芯片模塊 （MCM） 來簡化大規模 MIMO 實施，以實現高集成度。

A2G35S160-01SR3 是一款 32W 射頻功率 GaN 晶體管，適用于頻率范圍為 3，400 至 3，600 MHz 的蜂窩基站應用。它提供高終端阻抗以實現最佳寬帶性能，它專為數字預失真糾錯系統而設計，并針對 Doherty 應用進行了優化。

Macom Macom 提供范圍廣泛的射頻功率半導體產品，包括設計用于在直流至 6 GHz 范圍內工作的分立器件、模塊和托盤。MAGB-101822-380A0P 是一款 GaN HEMT D 模式放大器對，設計用于平均功率為 55W 的數字預失真糾錯系統和非對稱 Doherty 基站應用。該器件采用塑料封裝，針對具有高終端阻抗的蜂窩基站應用進行了優化，以實現寬帶性能。

Qorvo Inc. Qorvo Inc. 為整個 5G 基礎設施提供高度集成的組件和模塊。GaN 技術用于構建固態微波功率放大器 （SSPA）。它受益于導致高功率密度的高故障電壓。可以使用多種實施選項構建 GaN 功率放大器。

PRFI Ltd. 實施了 Qorvo 解決方案 TGF2977，以設計 5W X 波段 GaN 功率放大器。該放大器針對 9.3 至 9.5 GHz 頻段進行了優化，提供 11 dB 的小信號增益，并在 3 dB 增益壓縮下提供超過 37 dBm 的輸出功率，相應的漏極效率超過 55%。

TGF2977 是一款 5W （P3dB） 寬帶非匹配分立式 GaN-on-SiC HEMT，可在直流至 12GHz 和 32V 電源軌下工作。該器件采用行業標準的 3 × 3-mm QFN 封裝，非常適合軍用和民用雷達、陸地移動和軍用無線電通信、航空電子設備和測試儀器。該器件可以支持脈沖和線性操作。

TGA2219 是一款 25W GaN 功率放大器，作為高功率 MMIC 放大器提供，專為商用和軍用雷達（包括 Ku 波段）和衛星通信系統而設計。TGA2219 放大器采用 TriQuint 生產的 0.15-μm GaN-on-SiC 工藝開發，工作頻率范圍為 13.4 GHz 至 16.5 GHz，提供 25 W 的飽和輸出功率、27 dB 的大信號增益和超過 28% 的功率附加效率（PAE ）。TGA2219 完全匹配至 50 Ω，在 RF 端口上集成了隔直電容，以簡化系統集成。

Wolfspeed 是一家 Cree 公司 GaN-on-SiC，已成為應對 5G 網絡引入帶來的所有挑戰和要求的領跑者。Wolfspeed 的產品組合主要集中在 GaN-on-SiC HEMT。一個例子是 GTRA384802FC。該解決方案是一種 400W （P3dB） HEMT，用于多標準蜂窩功率放大器應用。

HEMT 具有輸入和輸出匹配、高效率和帶無耳法蘭的熱增強封裝。該器件提供 62% 的效率和 12-dB 增益，并且可以處理 10:1 VSWR @ 48-V、63-W （WCDMA） 輸出功率。其不對稱的 Doherty 設計保證了主 P3dB 200 W 典型值和峰值 P3dB 280 W 典型值。

結論 技術正在顯著發展。對于 5G，GaN 比硅更有效，并且多年來一直是 5G 功率放大器中硅的明顯繼承者。由于晶圓和成本降低的發展，它肯定會流行起來，尤其是在 5G 毫米波網絡方面。

GaN 器件正在市場上取代 LDMOS 器件，特別是在 5G 電信基站、雷達和航空電子設備以及其他寬帶應用中。在未來的網絡設計中，GaN 和其他寬帶隙 （WBG） 材料將因其物理特性而取代現有的 LDMOS 器件。然而，由于其成熟度和成本低廉，LDMOS 仍將占據穩固的市場份額。