جعلت الصفات الرائعة لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) جذابة للعديد من الأسواق ، بما في ذلك السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الكهروضوئية وأجهزة الشحن السريعة والاتصالات السلكية واللاسلكية. يركز GaN و SiC على الطاقة المطلوبة لتحويل الإلكترونات في هذه المواد من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. هذه الطاقة ، أو فجوة الحزمة ، هي 1.1 eV للسيليكون (Si) ، وحوالي 3.2 eV لـ SiC ، و 3.4 eV لـ GaN. هذه الخصائص تؤدي إلى انهيار قابل للتطبيق أعلى الجهد االكهربى، والتي يمكن أن تصل إلى 1,700 فولت في بعض التطبيقات.
5G هي أحدث شبكة جيل تستعد لتشغيل إنترنت الأشياء. ستكون الشبكات التي تعمل بتقنية 5G أسرع بما يصل إلى 20 مرة من شبكة 4G الحالية ، مما يتيح سرعات تنزيل الفيديو تصل إلى 10 مرات أسرع. تلعب أشباه موصلات الطاقة عالية الأداء مثل GaN و SiC دورًا رئيسيًا في حلول 5G للترددات الراديوية (RF) ونقل الطاقة اللاسلكي (WPT) وإمدادات الطاقة للمحطة الأساسية.
لتلبية متطلبات الطاقة في هذه التطبيقات ، يتجه مصنعي المعدات الأصلية إلى GaN على وجه الخصوص. يمكن أن يوفر نظام الطاقة القائم على GaN خيارًا جيدًا لدعم المتطلبات الصارمة لنقل البيانات ومتطلبات كفاءة الطاقة.
تحتاج محطات 5G الأساسية إلى إرسال إشارات في نطاقات الموجات المنخفضة والمتوسطة والمموجة. مع زيادة الترددات ، تزداد كذلك الطاقة المطلوبة للإرسال عبر مسافات مفيدة. نظرًا لخصائصها عالية التردد ، توفر GaN مزايا مقارنة بالعمليات الأخرى لاستخدامها في مضخمات الطاقة لمحطة القاعدة 5G (PAs).
الشكل 1: مقارنة طاقة وتكرار المواد المختلفة في نطاق الميكروويف ، والذي يتضمن mmWave (المصدر: Analog Devices Inc.)
تتضمن المتطلبات الصارمة لـ 5G تكثيفًا على نطاق واسع ، مع محطات قاعدة متعددة وتكثيف الطاقة على مستوى الجهاز. تتوقع Yole Développement أن تخترق GaN سوقين بشكل كبير بمعدل نمو سنوي مركب بنسبة 20 ٪ على مدى العقود المقبلة ، خاصةً للدفاع والاتصالات اللاسلكية. ستلعب GaN دورًا رئيسيًا في الحلول اللاسلكية عالية الأداء بمستويات كفاءة الطاقة وأداء التردد العالي.
نيتريد الغاليوم
مقارنة مع Si و زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أشباه الموصلات المواد، GaN وSiC كلاهما مركب واسع النطاق أشباه الموصلات الرقائق، التي تتميز بخصائص شدة المجال الكهربائي عالية الانهيار، وسرعة انجراف الإلكترون المشبعة العالية، والتوصيل الحراري العالي، وثابت العزل الكهربائي المنخفض. تعد خصائص التردد المنخفض والتحويل العالي مناسبة لتصنيع الأجهزة الإلكترونية عالية التردد وعالية الطاقة وصغيرة الحجم (الحجم) وعالية الكثافة.
يتم توجيه مادة GaN لمصنعي أشباه الموصلات 5G نحو مجال أجهزة الميكروويف والتردد العالي والطاقة المنخفضة (أقل من 1,000 فولت) والليزر. مقارنة مع أشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعدن المنتشر أفقيًا (LDMOS) التكنلوجيا وحلول GaAs، يمكن لأجهزة GaN توفير المزيد من الطاقة وعرض النطاق الترددي.
ستحقق أشباه موصلات الطاقة GaN قفزة في كثافة الطاقة والتعبئة كل عام ويمكن أن تتكيف بشكل أفضل مع تقنية MIMO الضخمة. GaN عالية الإلكترون - التنقل الترانزستور (HEMT) أصبحت epitaxy أشباه الموصلات تقنية مهمة للمناطق المحمية المستخدمة في محطات القاعدة الكلية 5G.
بلغت قيمة سوق أجهزة الطاقة اللاسلكية للمحطات الأساسية 1.1 مليار دولار في عام 2014 ، عندما شكلت GaN حصة 11 ٪ وحصة LDMOS كانت 88 ٪ ، وفقًا لـ Yole Développement. زاد هذا التقدير إلى حصة 25٪ بحلول عام 2017 وهو يتجه نحو الأعلى (الشكل 2). تتوقع Yole أن إجمالي سوق أجهزة GaN RF سيتجاوز 2.4 مليار دولار بحلول عام 2026 ، تهيمن عليه البنية التحتية للاتصالات 5G وتطبيقات الدفاع ، والتي تمثل 41٪ و 49٪ من السوق ، على التوالي.
الشكل 2: من المتوقع أن تهيمن GaN على سوق أجهزة الطاقة اللاسلكية بحلول عام 2025. (المصدر: Yole Développement)
تعد حلول GaN-on-SiC مرشحًا رئيسيًا لاتصالات 5G ، لأنها توفر كفاءة عالية في تكوين Doherty بترددات أعلى عبر عرض نطاق أوسع من ترانزستورات Si LDMOS. الجاليوم الترانزستور يمكن أن تكون التكنولوجيا أيضًا قوية جدًا ، وتعمل مع عدم تطابق شديد في الأحمال عند طاقة عالية مع الحد الأدنى من تدهور الأداء
يعد طيف mmWave أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق 5G. يمكن وضع الخلايا الصغيرة بالقرب من بعضها البعض في البيئات الحضرية لوصلات خط البصر ، مما يخفف من خصائص الانتشار الضائع للإشارات عالية التردد.
5G وإدارة الطاقة
في تصنيع أشباه الموصلات ، يزرع الجاليوم عادة في درجة حرارة عالية (حوالي 1,100 درجة مئوية) عن طريق ترسيب بخار كيميائي عضوي معدني أو تقنيات epitaxy الحزمة الجزيئية على ركيزة SiC لتطبيقات RF ، أو السيليكون لتطبيقات الطاقة الإلكترونية.
لا تعمل تركيبة GaN-on-Si بشكل جيد ، حيث إنها تعرض خسائر أعلى في التردد اللاسلكي ، لكنها تثبت أنها أرخص. من ناحية أخرى ، تبرز GaN-on-SiC في تطبيقات التردد اللاسلكي لعدة أسباب: توفر مادة GaN جهدًا أعلى بكثير من أجهزة أشباه الموصلات الأخرى ، كما هو مذكور أعلاه ، كما أنها تضمن معدلات تشبع عالية. عندما يتم دمج GaN مع سعة شحن كبيرة ، فإن هذا يترجم إلى كثافة تيار أعلى بكثير للأجهزة. تحتوي ركيزة SiC على موصلية حرارية عالية نسبيًا (~ 120 واط / مللي كلفن) ، لذلك يمكن إزالة الحرارة بسهولة أكبر من الترانزستور إلى المشتت الحراري.
تعتمد جودة تغطية 5G على العديد من العناصر ، بما في ذلك البيئة المحيطة. يمكن مقاطعة إشارة 5G بواسطة الجدران وأبراج المياه والحواجز الأخرى أمام انتشار الترددات الراديوية. سيعمل نضج تقنية 5G المدعومة من قبل WBG لأشباه الموصلات وإنترنت الأشياء والشحن اللاسلكي معًا لخلق المزيد من الابتكارات التكنولوجية للبنية التحتية 5G.
ظهرت تقنيات WPT القائمة على الرنين المغناطيسي مثل تقنية AirFuel في السنوات الأخيرة على قوة تردد التشغيل العالي (6.78 ميجاهرتز) والقدرة على توفير مرونة في الموقع ونطاق ممتد وقدرات شحن متعددة الأجهزة. التكنولوجيا اللاسلكية معروفة جيدًا ، لكن تصميم أجهزة الإرسال ، وموقعها ، وزيادة الكفاءة ، والتحقق من سلوك النظام بأكمله يمثل تحديات كبيرة تتطلب استخدام حلول هندسية معقدة.
سيشهد ظهور شبكات 5G استخدام ترددات mmWave ذات النطاق الترددي الكبير. في تطبيقات الوصول اللاسلكي الثابت (FWA) ، تحتاج وحدة الشبكة الخارجية إلى طاقة من خط الطاقة الداخلي والمحولات. بدلاً من الحلول السلكية ، يمكن استخدام نظام WPT لنقل الطاقة لوحدة الشبكة الخارجية ، كما يمكن استخدامه لمحطات القاعدة الصغيرة 5G وأجهزة إنترنت الأشياء مثل كاميرات IP ومحطات الشبكة الضوئية (الألياف إلى المنزل).
يتكون نظام WPT التقليدي من مصدر ترددات راديوية بتيار ثابت مع PA وملفات تعمل كمرسل (Tx) ومستقبل (Rx) بخصائص محددة. على جانب المستقبل ، يقوم مقوم الجسر الكامل بتحويل طاقة التردد اللاسلكي المقترنة إلى إشارة تيار مستمر. يتم توفير حل للمناطق المحمية بواسطة أجهزة تقنية GaN ، والتي يمكن أن توفر كفاءة أكثر من 80٪ ، على قدم المساواة مع الأنظمة السلكية ، عبر نطاق مقاومة واسع للغاية.
يجب تحسين ملفات الاقتران من خلال تقديم عامل اقتران عالي (Q). يجب أن يكون ملف Q الخاص بجهاز الإرسال كبيرًا بما يكفي لتحقيق عامل اقتران متبادل مرتفع لنقل المزيد من الطاقة إلى الجانب الآخر من الجدار في تطبيقات FWA. بناءً على حسابات أنظمة GaN ، فإن حجم الملف النموذجي 200 × 200 مم كبير بما يكفي لنقل الطاقة على مسافة 250 مم. استخدم مهندسو أنظمة GaN طوبولوجيا مكبر للصوت من الفئة EF2 ومجموعة من مطابقة المعاوقة من النوع T بالإضافة إلى النوع Pi.
الشكل 3: نظام WPT لأنظمة GaN لتطبيقات شحن الوحدات الخارجية 5G FWA (المصدر: أنظمة GaN)
التطورات الجديدة
بدأ صانعو الرقائق في التركيز بشكل أكبر على تطوير تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة GaN لسوق 5G. أحد الأمثلة على ذلك هو GaN PA التابع لشركة Mitsubishi Electric Corp وحدةبقياس 6 × 10 ملم لمحطات 5G الأساسية. يتطلب هذا الجهاز الحد الأدنى لعدد مكونات SMD، بما في ذلك المكثفات والمحاثات، في أداة التوصيل الدارة الكهربائية للتحكم في إخراج إشارة عالية الجودة. تساعد ترانزستورات GaN المدمجة على زيادة كفاءة مضخم الطاقة.
يمكن أن يؤدي استخدام أجهزة SMD لدائرة التوصيل إلى تقليل حجم عامل الشكل ولكن يمكن أيضًا أن يقلل من كفاءة الطاقة ، حيث تميل هذه الأجهزة إلى فقدان طاقة مرتفع. ومع ذلك ، فإن التقنية الجديدة لشركة Mitsubishi Electric تنشئ دائرة اقتران باستخدام عدد أقل من SMDs مع توفير كفاءة طاقة أعلى. تقدم SMDs أيضًا نفس الخصائص الكهربائية مثل خطوط نقل الرقائق المعدنية.
افتتحت NXP Semiconductors مؤخرًا مصنعًا جديدًا في ولاية أريزونا مخصصًا لإنتاج ترانزستورات GaN لـ 5G PAs. يتم إنتاج الأجهزة باستخدام SiC كركيزة ، وبالتالي إنشاء GaN-on-SiC. أثبت SiC أنه ممتاز كموصل حراري ، وهو أمر بالغ الأهمية لأن 5G تحتاج إلى كفاءة أفضل وتدفع حتى 64 عنصرًا للهوائي ، مع قدرة تتراوح من 5 وات إلى 60 وات أو 80 وات.
تجمع GaN-on-SiC بين إمكانات كثافة الطاقة العالية لـ GaN والتوصيل الحراري الفائق وفقد التردد اللاسلكي المنخفض للـ SiC لتطبيقات الجيل الخامس. تعني الكفاءة العالية أيضًا تقليل الحجم والوزن ، مما يجعلها أسهل وأقل تكلفة في التركيب والإدارة. يمكن أن يحدث هذا فرقًا في شبكات 5G الخاصة المثبتة في المصانع والمرافق الأخرى.
المنتجات الرئيسية الجديدة لـ fab هي مضخمات طاقة RF للبنية التحتية اللاسلكية 5G التي تتطلب حل هوائي MIMO مع 32 أو 64 عنصرًا في تكوين رادار ذي صفيف مرحلي ، إلى جانب حلول الهوائي التقليدية ذات القدرة الأعلى.
حول الأجهزة التناظرية