电子产品世界

很多人想不明白为何美国以军事用途为由列举出海量的半导体禁运名单中，其中绝大部分并不是最先进的处理器，而是很多看似工艺并不先进的模拟类芯片。

半导体作为现代信息技术的基石，其技术迭代直接推动国防装备的性能跃升。从第一代硅（Si）半导体到第二代砷化镓（GaAs）半导体，再到以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体，每一次材料体系的革新，都为国防军事装备带来革命性变化。与前两代半导体相比，第三代半导体具备高饱和电子迁移速率、高击穿电压、高热导率、抗辐射等核心优势，完美适配高温、高压、高频、大功率的极端军工应用场景，成为先进雷达、电子战系统、激光武器、高超音速装备等核心军事装备的“心脏”部件。第三代半导体技术的突破，不仅能提升一国的国防装备性能，更能重塑其在全球国防科技领域的话语权。

化合物半导体由元素周期表中不同族的元素组成，具备最适合现代战争严苛环境的特定性能。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）均属于化合物半导体。这些芯片能够承受超高电压和高温，优化了速度、重量和功率（SWaP）指标，可实现器件小型化，且具有更宽的禁带宽度和更高的电子迁移速率。

区别于民用第三代半导体产品主要用于功率器件和无线射频，基于GaN和SiC的单片微波集成电路（MMICs）主要用于特殊应用场景。与硅基半导体相比，它们具备更优异的性能、更高的效率和更快的开关速度。化合物半导体具有更强的化学惰性，在高温、高压环境下稳定性极佳，且传输损耗极低，因此非常适合极端环境应用。除氮化镓芯片外，砷化镓（GaAs）化合物芯片也被广泛应用。尽管两者在高频数据传输方面均优于硅基芯片，但适用于不同的功率需求场景。砷化镓芯片适用于中低功率需求及微波应用场景，性价比高（常用于手机和卫星）；而氮化镓芯片凭借更优异的电子迁移率，适用于高功率、高温场景 —— 其可在高达 1000 摄氏度的环境下稳定工作。

一块输出功率为 30 瓦的氮化镓芯片，尺寸仅为 3.5 毫米 ×3 毫米，开关速度是硅基芯片的 300 倍。该芯片广泛应用于军事平台 —— 先进军用无人机、导弹、雷达、战斗机和海军平台。化合物芯片最关键的应用领域是传感器，这类传感器可分析运动、热量、声音、光线和压力变化，并将物理参数转换为电信号。这些信号不仅用于触发动能反应，还可用于环境监测与参数测量。

化合物半导体对现代战争至关重要，在高要求的军事应用中，其性能远超硅基芯片。在现代战争中，硅基芯片可能无法满足某些特定需求。为了说明这些需求以及对某类特定芯片的迫切需求，我们以现代战场上无人机的功能为例。这种无人机需要具备四项核心能力：续航能力，即能在更大空间和更长时间内悬停并穿越战场；探测与识别的精准性；打击目标的杀伤力；以及跨网络、跨领域、跨编队中继数据的连通性。续航能力要求芯片具备高耐热性（热量来源有三：芯片本身、电机线圈和螺旋桨的运转，以及大气摩擦）。因此，要实现更长的续航时间和航程，必须解决芯片的耐热问题。硅基芯片的耐热极限约为 150 摄氏度，超过这一温度就会进入 “热失控” 状态 —— 芯片会变为导体，进而导致短路。

精准性要求无人机能在更远距离上探测和识别目标，这意味着需要更高的频率，而更高频率又依赖于高电子迁移速率。然而，更高的频率会限制信号传输范围，因此需要更大的功率密度，以确保信号能够到达预定目标，并以足够强的强度反射回来，完成探测过程。

杀伤力的实现方式分为两种：动能打击和非动能打击。动能打击即向目标发射投射物。假设无人机足够大且稳定，能够发射导弹，那么当导弹突破特定速度屏障后，大气摩擦产生的高温可能会烧毁导弹内部的电路，这种情况在高超音速导弹上尤为突出。非动能打击方案则要求无人机的发射器能够实施干扰，或在敌方干扰下正常工作。这两种场景都需要更高的功率密度，而硅基芯片无法满足这一要求。

连通性需要建立实时的 “传感器到射手” 链路，并具备充足的带宽，涵盖卫星和地面数据链路，尤其是在毫米波频谱（大多数卫星通信和 5G/6G 均在此频段运行）中。这同样需要与硅基芯片不同的特殊芯片。

在无人机的应用场景，采用化合物芯片组件能在多个维度提升其性能。在无人机的发动机控制器中使用碳化硅基开关，可增强其续航能力 —— 碳化硅具有高导热性，即便在飞行中承受高电压，也能让无人机保持较低温度，从而显著延长任务时长。

在精准性方面，基于氮化镓的小型化有源相控阵（AESA）雷达，凭借其几乎瞬时切换波束的能力，能够在更远距离上探测到无人机等小型目标，且可同时追踪多个目标。这一优势得益于氮化镓芯片中电子迁移速率提升了 30%。

无人机发射的导弹中若采用碳化硅基芯片，其耐热温度可达 600 摄氏度 —— 这能确保半导体在高温环境下保持原有性能，且散热速度是硅基芯片的三倍，意味着导弹在高速飞行时仍能保持精准制导。

对于非动能打击方案，氮化镓基系统能提供更高的功率密度（是硅基芯片的 5 至 10 倍），可实现有效干扰；而在反干扰方面，这些芯片能将大量能量集中在单一频率上，从而突破敌方干扰。

最后，连通性要求跨领域平台间建立实时数据链路，化合物半导体因具备宽禁带特性，成为最理想的选择。

化合物半导体完全契合现代军队开展多域作战的需求 ——“在陆地、海洋、空中、网络、太空和认知六个领域，协调、整合、同步运用军事和非军事能力”。相比于我们熟知的数字半导体，这些第三代半导体芯片无需数十亿美元级别的晶圆厂，也不要求大规模生产，即便是初创企业也能进行制造。不过，其矿物和气体供应链必须具备抵御地缘政治和自然灾害冲击的能力。

随着战争形态发生范式转变 —— 从有人平台向无人平台演进，从依赖型系统向能够瞬间决策的自主系统升级 —— 传感器的作用变得至关重要。加之人工智能和量子技术引发的另一轮技术革命，化合物芯片的重要性将进一步提升。具体应用包括精准导航、电子战、测距、夜视与监视、伪装探测、目标跟踪、导弹制导以及雾天或云层中的成像 —— 这些都是现代战争中的核心必备能力。

图 GaN市场规模变化图

关键词： 第三代半导体 SiC GaN 硅基芯片 202603