氮化镓基CMOS（互补金属氧化物半导体）电路让功率转换系统更加高效 ┃ Fundamental Research

导言

研究人员开发了一系列高性能的、尤其是具有优异“类CMOS特性”的氮化镓基 CMOS 逻辑电路。这一技术显著减小逻辑控制单元的功耗，有望将功率转换系统的功耗降低20-30%。

氮化镓 (GaN) 是近年来成为引人注目的半导体材料，可以部分替代硅 (Si) 用于无线通信和电力转换系统，以获得更好的性能。GaN 器件可以实现更小的尺寸、更高的功率密度和能源效率、以及更优的热管理，因而被广泛使用在 5G 无线基站和移动设备的小型快充中。业内预测，GaN将会在数据中心、自动驾驶、电动汽车、无人机和机器人的供电系统中得到应用。

然而，为了充分发掘GaN 在功率转换应用中的潜力，我们还需要一个集成了功率开关和外围电路的多用途且稳定可靠的技术平台。

互补型逻辑集成电路，也称为 CMOS IC，是能效最高的拓扑。香港科技大学 (HKUST) 的陈敬教授团队开发了一系列高性能、氮化镓基的 CMOS 逻辑电路，这些电路都拥有优异的“类CMOS性能”。他们发表在期刊《Fundamental Research》上的论文中描述了这些电路如何通过充分抑制逻辑控制单元的功耗，有可能将转换电源系统的功耗降低 20-30%。

配图：CMOS 逻辑电路与纯 N 通道逻辑电路的比较

制作者：陈敬教授

陈教授解释说：“基于氮化镓的材料特性和 8 英寸生产线的制造能力，我们分析了氮化镓CMOS 技术的理论速度极限和能效。即使采用相对保守的估计，我们仍发现通过对商业平台上氮化镓CMOS电路的工艺优化和缩小器件尺寸，其单级逻辑门延迟可以短至1纳秒”

陈教授补充说：“虽然这仍然比最先进的高速 CMOS 电路慢，但它可以轻松满足氮化镓基电源转换系统的要求，因为此类系统的运作频率通常不超过 10 MHz。”

陈教授最后总结道：“使用氮化镓基CMOS 电路实现控制器、驱动器和各种传感器等周边电路，逻辑块的功耗可大幅降低 3 个数量级以上。因此，电力系统中逻辑控制单位的整体功耗可降低20-30%。p-FET 的缩减和栅极优化有望进一步提高性能并加快氮化镓基CMOS 逻辑电路技术的商业化步伐。”

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于文章

文章标题：

On the operating speed and energy efficiency of GaN-based monolithic complementary logic circuits for integrated power conversion systems

研究团队：

Zheyang Zheng，Han Xu，Li Zhang，

Kevin J.Chen

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主 编

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主编：龚旗煌 院士

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长期从事非线性光学前沿与时空小尺度光学研究

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