Die beeindruckenden Qualitäten von Halbleitern mit großer Bandlücke (WBG) wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) haben sie für mehrere Märkte attraktiv gemacht, darunter Elektrofahrzeuge, PV-Wechselrichter, Schnellladegeräte und Telekommunikation. GaN und SiC konzentrieren sich auf die Energie, die erforderlich ist, um Elektronen in diesen Materialien vom Valenzband in das Leitungsband zu verschieben. Diese Energie oder Bandlücke beträgt 1.1 eV für Silizium (Si), etwa 3.2 eV für SiC und 3.4 eV für GaN. Diese Eigenschaften führen zu einer höheren anwendbaren Aufschlüsselung Spannung, die in einigen Anwendungen bis zu 1,700 V erreichen kann.
5G ist das Netz der neuesten Generation, das das Internet der Dinge antreiben wird. Netzwerke mit 5G werden bis zu 20-mal schneller sein als das bestehende 4G-Netzwerk und ermöglichen bis zu 10-mal schnellere Video-Download-Geschwindigkeiten. Hochleistungs-Leistungshalbleiter wie GaN und SiC spielen eine Schlüsselrolle in 5G-Hochfrequenzlösungen (RF), Wireless Power Transfer (WPT) und Stromversorgungen von Basisstationen.
Um den Strombedarf in diesen Anwendungen zu decken, setzen OEMs insbesondere auf GaN. Ein GaN-basiertes Stromversorgungssystem kann eine gute Option sein, um die hohen Anforderungen an Datenübertragung und Energieeffizienz zu erfüllen.
5G-Basisstationen müssen Signale in niedrigen, mittleren und mmWave-Bändern übertragen. Mit steigenden Frequenzen steigt auch die Leistung, die zum Senden über nützliche Entfernungen erforderlich ist. Aufgrund seiner Hochfrequenzeigenschaften bietet GaN Vorteile gegenüber anderen Verfahren für den Einsatz in 5G-Basisstations-Leistungsverstärkern (PAs).
Abbildung 1: Vergleich von Leistung und Frequenz verschiedener Materialien im Mikrowellenbereich, einschließlich mmWave (Quelle: Analog Devices Inc.)
Die strengen Anforderungen für 5G beinhalten eine Verdichtung auf Makroebene mit mehreren Basisstationen und eine Leistungsverdichtung auf Geräteebene. Yole Développement prognostiziert, dass GaN in den nächsten Jahrzehnten zwei Märkte mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 20 % deutlich durchdringen wird, nämlich für Verteidigung und drahtlose Telekommunikation. GaN wird mit seiner Energieeffizienz und seiner Hochfrequenzleistung eine Schlüsselrolle bei leistungsstarken drahtlosen Lösungen spielen.
Galliumnitrid
Im Vergleich zu Si und Galliumarsenid (GaAs) Halbleiter Materialien, GaN und SiC sind beide Breitbandverbindungen Halbleiter Wafer, die die Eigenschaften einer hohen elektrischen Feldstärke beim Durchbruch, einer hohen Geschwindigkeit der gesättigten Elektronendrift, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Dielektrizitätskonstante aufweisen. Die verlustarmen und hochschaltfrequenten Eigenschaften eignen sich für die Herstellung von Hochfrequenz-, Hochleistungs-, Kleinserien- und Hochdichte-Elektronikgeräten.
Das GaN-Material für 5G-Halbleiterhersteller ist auf den Bereich Mikrowellen-, Hochfrequenz- und Niederleistungsgeräte (weniger als 1,000 V) und Laser ausgerichtet. Verglichen mit seitlich diffundiertem Si-Metalloxid-Halbleiter (LDMOS) Technologie und GaAs-Lösungen können GaN-Geräte mehr Leistung und Bandbreite bieten.
GaN-Leistungshalbleiter werden jedes Jahr einen Sprung in Leistungsdichte und Gehäuse machen und können besser an die massive MIMO-Technologie angepasst werden. GaN-hohe Elektronen-Mobilität Transistor (HEMT) Halbleiterepitaxie hat sich zu einer wichtigen Technologie für PAs entwickelt, die in 5G-Makro-Basisstationen verwendet werden.
Laut Yole Développement betrug der Markt für HF-Leistungsgeräte für Basisstationen im Jahr 1.1 2014 Milliarden US-Dollar, als GaN einen Anteil von 11 % und der Anteil von LDMOS 88 % ausmachte. Diese Schätzung stieg bis 25 auf einen Anteil von 2017 % und zeigt nach oben (Figure 2). Yole prognostiziert, dass der Gesamtmarkt für GaN-HF-Geräte bis 2.4 2026 Milliarden US-Dollar überschreiten wird, dominiert von 5G-Telekommunikationsinfrastruktur und Verteidigungsanwendungen, die 41 % bzw. 49 % des Marktes ausmachen.
Abbildung 2: GaN wird voraussichtlich bis 2025 den Markt für HF-Leistungsgeräte dominieren. (Quelle: Yole Développement)
GaN-on-SiC-Lösungen sind ein erstklassiger Kandidat für die 5G-Telekommunikation, da sie in einer Doherty-Konfiguration bei höheren Frequenzen über eine größere Bandbreite als Si-LDMOS-Transistoren eine hohe Effizienz bieten. GaN Transistor Technologie kann auch sehr robust sein und mit starken Last-Fehlanpassungen bei hoher Leistung mit minimaler Leistungseinbuße arbeiten.
Das mmWave-Spektrum ist entscheidend für die Realisierung von 5G. Kleine Zellen können in städtischen Umgebungen für Sichtverbindungen nahe beieinander platziert werden, wodurch die verlustbehafteten Ausbreitungseigenschaften von Hochfrequenzsignalen abgeschwächt werden.
5G und Energiemanagement
Bei der Halbleiterherstellung wird GaN normalerweise bei hoher Temperatur (etwa 1,100°C) durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung oder Molekularstrahlepitaxietechniken auf einem SiC-Substrat für HF-Anwendungen oder Silizium für leistungselektronische Anwendungen aufgewachsen.
Die GaN-auf-Si-Kombination schneidet nicht gut ab, da sie höhere HF-Verluste aufweist, aber sie erweist sich als billiger. GaN-auf-SiC hingegen zeichnet sich in HF-Anwendungen aus mehreren Gründen aus: Das GaN-Material bietet, wie bereits erwähnt, viel höhere Spannungen als andere Halbleiterbauelemente und garantiert zudem hohe Sättigungsraten. Wenn GaN mit einer großen Ladungskapazität kombiniert wird, führt dies zu einer viel höheren Stromdichte für Geräte. Das SiC-Substrat hat eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit (~120 W/mK), sodass Wärme leichter vom Transistor zum Kühlkörper abgeführt werden kann.
Die Qualität der 5G-Abdeckung hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Umgebung. Das 5G-Signal kann durch Wände, Wassertürme und andere Hindernisse für die HF-Ausbreitung unterbrochen werden. Die Reifung der 5G-Technologie, die von WBG-Halbleitern, IoT und drahtlosem Laden unterstützt wird, wird zusammenarbeiten, um mehr technologische Innovationen für die 5G-Infrastruktur zu schaffen.
Magnetresonanzbasierte WPT-Technologien wie die von AirFuel sind in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Betriebsfrequenz (6.78 MHz) und ihrer Fähigkeit, Standortflexibilität, erweiterte Reichweite und Ladefunktionen für mehrere Geräte zu bieten, entstanden. Die drahtlose Technologie ist bekannt, aber das Design von Sendern, ihre Position, die Maximierung der Effizienz und die Validierung des Verhaltens des gesamten Systems stellen große Herausforderungen dar, die den Einsatz komplexer technischer Lösungen erfordern.
Mit dem Aufkommen von 5G-Netzen werden mmWave-Frequenzen mit großer Bandbreite verwendet. Bei Anwendungen mit festem drahtlosem Zugang (FWA) benötigt die externe Netzwerkeinheit Strom von der internen Stromleitung und den Adaptern. Anstelle von kabelgebundenen Lösungen kann ein WPT-System zur Energieübertragung für die externe Netzwerkeinheit verwendet werden und auch für 5G-Mikrobasisstationen und IoT-Geräte wie IP-Kameras und optische Netzwerkendgeräte (Fiber-to-Home) verwendet werden.
Das konventionelle WPT-System besteht aus einer Konstantstrom-HF-Quelle mit einem PA und Spulen, die als Sender (Tx) und Empfänger (Rx) mit spezifischen Eigenschaften fungieren. Auf der Empfängerseite wandelt ein Vollbrückengleichrichter die eingekoppelte HF-Leistung in ein DC-Signal um. Eine Lösung für PAs bieten Geräte mit GaN-Technologie, die über einen sehr weiten Impedanzbereich einen End-to-End-Wirkungsgrad von mehr als 80 % bieten können, vergleichbar mit kabelgebundenen Systemen.
Koppelspulen müssen durch einen hohen Koppelfaktor (Q) optimiert werden. Der Q-Wert der Sendespule sollte groß genug sein, um einen hohen gegenseitigen Kopplungsfaktor zu erreichen, um bei FWA-Anwendungen mehr Leistung auf die andere Seite der Wand zu übertragen. Nach Berechnungen von GaN Systems ist eine typische Spulengröße von 200 × 200 mm groß genug, um Leistung in einem Abstand von 250 mm zu übertragen. Die Ingenieure von GaN Systems verwendeten eine Verstärkertopologie der Klasse EF2 und eine Kombination aus T-Typ- und Pi-Typ-Impedanzanpassung.
Abbildung 3: WPT-System von GaN Systems für 5G-FWA-Ladeanwendungen im Freien (Quelle: GaN Systems)
Neue Entwicklungen
Chiphersteller konzentrieren sich zunehmend auf die Entwicklung ihrer GaN-Leistungshalbleitertechnologie für den 5G-Markt. Ein Beispiel ist GaN PA von Mitsubishi Electric Corp Modulen, Größe 6 × 10 mm, für 5G-Basisstationen. Dieses Gerät erfordert eine minimale Anzahl an SMD-Komponenten, einschließlich Kondensatoren und Induktivitäten, in der Kopplung Schaltung um die hochwertige Signalausgabe zu steuern. Die integrierten GaN-Transistoren helfen, die Effizienz des Leistungsverstärkers zu erhöhen.
Die Verwendung von SMD-Bauelementen für die Koppelschaltung kann die Größe des Formfaktors reduzieren, aber auch die Energieeffizienz verringern, da diese Bauelemente zu einer hohen Verlustleistung neigen. Die neue Technologie von Mitsubishi Electric schafft jedoch eine Kopplungsschaltung mit einer reduzierten Anzahl von SMDs und bietet gleichzeitig eine höhere Energieeffizienz. Die SMDs bieten auch die gleichen elektrischen Eigenschaften wie Metallfolien-Übertragungsleitungen.
NXP Semiconductors hat kürzlich eine neue Fabrik in Arizona eröffnet, die der Produktion von GaN-Transistoren für 5G-PAs gewidmet ist. Die Bauelemente werden unter Verwendung von SiC als Substrat hergestellt, wodurch GaN-auf-SiC entsteht. SiC erweist sich als hervorragender Wärmeleiter, was entscheidend ist, da 5G eine bessere Effizienz benötigt und bis zu 64 Antennenelemente mit einer Leistung von 5 W bis 60 W oder 80 W antreibt.
GaN-auf-SiC kombiniert die hohe Leistungsdichte von GaN mit der überlegenen Wärmeleitfähigkeit und den geringen HF-Verlusten von SiC für 5G-Anwendungen. Die höhere Effizienz bedeutet auch eine Reduzierung von Größe und Gewicht, wodurch sie einfacher und kostengünstiger zu installieren und zu verwalten sind. Dies könnte bei privaten 5G-Netzen, die in Fabriken und anderen Einrichtungen installiert sind, einen Unterschied machen.
Die Flaggschiffprodukte der neuen Fabrik sind HF-Leistungsverstärker für die 5G-Funkinfrastruktur, die eine MIMO-Antennenlösung mit 32 oder 64 Elementen in einer Phased-Array-Radarkonfiguration sowie traditionellere Antennenlösungen mit höherer Leistung erfordern.
über Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Developpement