Las impresionantes cualidades de los semiconductores de banda ancha ancha (WBG) como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) los han hecho atractivos para varios mercados, incluidos vehículos eléctricos, inversores fotovoltaicos, cargadores rápidos y telecomunicaciones. GaN y SiC se centran en la energía necesaria para desplazar electrones en estos materiales de la banda de valencia a la banda de conducción. Esta energía, o banda prohibida, es 1.1 eV para el silicio (Si), aproximadamente 3.2 eV para SiC y 3.4 eV para GaN. Esas propiedades conducen a un desglose aplicable más alto voltaje, que puede alcanzar hasta 1,700 V en algunas aplicaciones.
5G es la red de última generación que está preparada para impulsar el Internet de las cosas. Las redes que ejecutan 5G serán hasta 20 veces más rápidas que la red 4G existente, lo que permitirá velocidades de descarga de video hasta 10 veces más rápidas. Los semiconductores de potencia de alto rendimiento como GaN y SiC están desempeñando un papel clave en las soluciones de radiofrecuencia (RF) 5G, la transferencia de potencia inalámbrica (WPT) y las fuentes de alimentación de la estación base.
Para cumplir con los requisitos de energía en estas aplicaciones, los OEM están recurriendo a GaN en particular. Un sistema de energía basado en GaN puede ofrecer una buena opción para soportar las estrictas demandas de transmisión de datos y requisitos de eficiencia energética.
Las estaciones base 5G necesitan transmitir señales en bandas de onda baja, media y mm. A medida que aumentan las frecuencias, también lo hace la potencia necesaria para transmitir a distancias útiles. Debido a sus características de alta frecuencia, GaN ofrece ventajas sobre otros procesos para su uso en amplificadores de potencia (PA) de estación base 5G.
Figura 1: Comparación de potencia y frecuencia de diferentes materiales en el rango de microondas, que incluye mmWave (Fuente: Analog Devices Inc.)
Los estrictos requisitos para 5G implican densificación a macroescala, con múltiples estaciones base y densificación de potencia a nivel de dispositivo. Yole Développement predice que GaN penetrará significativamente en dos mercados con una tasa de crecimiento anual compuesta del 20% durante las próximas décadas, a saber, la defensa y las telecomunicaciones inalámbricas. GaN jugará un papel clave en las soluciones inalámbricas de alto rendimiento con sus niveles de eficiencia energética y rendimiento de alta frecuencia.
Nitruro de galio
Comparado con Si y arseniuro de galio (GaAs) Semiconductores materiales, GaN y SiC son compuestos de banda ancha semiconductor obleas, que tienen las características de una alta intensidad de campo eléctrico de ruptura, alta velocidad de deriva de electrones saturados, alta conductividad térmica y baja constante dieléctrica. Las características de baja pérdida y alta frecuencia de conmutación son adecuadas para la fabricación de dispositivos electrónicos de alta frecuencia, alta potencia, pequeño volumen (tamaño) y alta densidad.
El material GaN para los fabricantes de semiconductores 5G está orientado al campo de los dispositivos y láseres de microondas, alta frecuencia y baja potencia (menos de 1,000 V). Comparado con el semiconductor de óxido metálico de difusión lateral de Si (LDMOS) la tecnología y soluciones GaAs, los dispositivos GaN pueden proporcionar más potencia y ancho de banda.
Los semiconductores de potencia de GaN darán un salto en la densidad de potencia y el empaquetado cada año y pueden adaptarse mejor a la tecnología MIMO masiva. Alta movilidad de electrones de GaN Transistor La epitaxia de semiconductores (HEMT) se ha convertido en una tecnología importante para los PA utilizados en las macro estaciones base 5G.
El mercado de dispositivos de potencia de RF para estaciones base valía $ 1.1 mil millones en 2014, cuando GaN representó una participación del 11% y la participación de LDMOS fue del 88%, según Yole Développement.. Esta estimación aumentó a una participación del 25% en 2017 y tiene una tendencia ascendente (Figura 2 y XNUMX). Yole pronostica que el mercado total de dispositivos GaN RF superará los $ 2.4 mil millones para 2026, dominado por la infraestructura de telecomunicaciones 5G y las aplicaciones de defensa, que representan el 41% y el 49% del mercado, respectivamente.
Figura 2: Se prevé que GaN dominará el mercado de dispositivos de potencia de RF para 2025. (Fuente: Yole Développement)
Las soluciones GaN-on-SiC son un candidato principal para las telecomunicaciones 5G, ya que ofrecen una alta eficiencia en una configuración Doherty a frecuencias más altas en un ancho de banda más amplio que los transistores Si LDMOS. GaN Transistor La tecnología también puede ser bastante robusta, funcionando con graves desajustes de carga a alta potencia con una degradación mínima del rendimiento.
El espectro mmWave es fundamental para la realización de 5G. Las celdas pequeñas se pueden colocar juntas en entornos urbanos para enlaces de línea de visión, lo que mitiga las propiedades de propagación con pérdida de las señales de alta frecuencia.
5G y gestión de energía
En la fabricación de semiconductores, el GaN generalmente se cultiva a alta temperatura (aproximadamente 1,100 ° C) mediante deposición de vapor químico orgánico metálico o técnicas de epitaxia de haz molecular en un sustrato de SiC para aplicaciones de RF, o silicio para aplicaciones de electrónica de potencia.
La combinación GaN-on-Si no funciona bien, ya que presenta mayores pérdidas de RF, pero resulta ser más barata. GaN-on-SiC, por otro lado, se destaca en aplicaciones de RF por varias razones: El material GaN ofrece voltajes mucho más altos que otros dispositivos semiconductores, como se mencionó anteriormente, y también garantiza altas tasas de saturación. Cuando GaN se combina con una gran capacidad de carga, esto se traduce en una densidad de corriente mucho mayor para los dispositivos. El sustrato de SiC tiene una conductividad térmica relativamente alta (~ 120 W / mK), por lo que el calor se puede eliminar más fácilmente del transistor al disipador de calor.
La calidad de la cobertura 5G depende de muchos elementos, incluido el entorno circundante. La señal 5G puede verse interrumpida por paredes, torres de agua y otras barreras a la propagación de RF. La maduración de la tecnología 5G respaldada por semiconductores WBG, IoT y carga inalámbrica trabajará en conjunto para crear más innovación tecnológica para la infraestructura 5G.
Las tecnologías WPT basadas en resonancia magnética, como la tecnología AirFuel, han surgido en los últimos años gracias a su alta frecuencia operativa (6.78 MHz) y su capacidad para ofrecer flexibilidad de ubicación, rango extendido y capacidades de carga de múltiples dispositivos. La tecnología inalámbrica es bien conocida, pero el diseño de los transmisores, su ubicación, la maximización de la eficiencia y la validación del comportamiento de todo el sistema representan grandes desafíos que requieren el uso de complejas soluciones de ingeniería.
La llegada de las redes 5G verá el uso de frecuencias mmWave con gran ancho de banda. En las aplicaciones de acceso inalámbrico fijo (FWA), la unidad de red externa necesita alimentación de la línea de alimentación interna y los adaptadores. En lugar de soluciones cableadas, se puede usar un sistema WPT para la transferencia de energía para la unidad de red externa y también se puede usar para microestaciones base 5G y dispositivos IoT como cámaras IP y terminales de red óptica (fibra hasta el hogar).
El sistema WPT convencional consta de una fuente de RF de corriente constante con un PA y bobinas que actúan como transmisor (Tx) y receptor (Rx) con características específicas. En el lado del receptor, un rectificador de puente completo transforma la potencia de RF acoplada en una señal de CC. Los dispositivos de tecnología GaN proporcionan una solución para los PA, que pueden ofrecer más del 80% de eficiencia de extremo a extremo, a la par de los sistemas cableados, en un rango de impedancia muy amplio.
Las bobinas de acoplamiento deben optimizarse ofreciendo un factor de acoplamiento elevado (Q). La Q de la bobina del transmisor debe ser lo suficientemente grande para lograr un factor de acoplamiento mutuo alto para transferir más potencia al otro lado de la pared en aplicaciones FWA. Según cálculos de GaN Systems, un tamaño de bobina típico de 200 × 200 mm es lo suficientemente grande como para transferir energía a una distancia de 250 mm. Los ingenieros de GaN Systems utilizaron una topología de amplificador Clase EF2 y una combinación de adaptación de impedancia tipo T más tipo Pi.
Figura 3: Sistema WPT de GaN Systems para aplicaciones de carga de unidades exteriores 5G FWA (Fuente: GaN Systems)
Nuevos desarrollos
Los fabricantes de chips están empezando a centrar más su desarrollo de tecnología de semiconductores de potencia GaN en el mercado 5G. Un ejemplo es el GaN PA de Mitsubishi Electric Corp. módulo, de 6 × 10 mm, para estaciones base 5G. Este dispositivo requiere una cantidad mínima de componentes SMD, incluidos condensadores e inductores, en el acoplamiento. circuito para controlar la salida de señal de alta calidad. Los transistores de GaN integrados ayudan a aumentar la eficiencia del amplificador de potencia.
El uso de dispositivos SMD para el circuito de acoplamiento puede reducir el tamaño del factor de forma, pero también puede reducir la eficiencia energética, ya que estos dispositivos tienden a tener una gran pérdida de potencia. Sin embargo, la nueva tecnología de Mitsubishi Electric crea un circuito de acoplamiento que utiliza un número reducido de SMD al tiempo que ofrece una mayor eficiencia energética. Los SMD también ofrecen las mismas características eléctricas que las líneas de transmisión de lámina metálica.
NXP Semiconductors abrió recientemente una nueva fábrica en Arizona dedicada a la producción de transistores GaN para 5G PA. Los dispositivos se producen utilizando SiC como sustrato, creando así GaN-sobre-SiC. SiC demuestra ser excelente como conductor de calor, lo cual es crucial porque 5G necesita una mejor eficiencia y maneja hasta 64 elementos de antena, con potencias que van desde 5 W a 60 W u 80 W.
GaN-on-SiC combina las capacidades de densidad de alta potencia de GaN con la conductividad térmica superior y las bajas pérdidas de RF de SiC para aplicaciones 5G. La mayor eficiencia también significa una reducción de tamaño y peso, lo que los hace más fáciles y menos costosos de instalar y administrar. Esto podría marcar la diferencia en las redes privadas 5G instaladas en fábricas y otras instalaciones.
Los productos estrella de la nueva fábrica son amplificadores de potencia de RF para la infraestructura de radio 5G que requiere una solución de antena MIMO con 32 o 64 elementos en una configuración de radar en fase, junto con soluciones de antenas de mayor potencia más tradicionales.
acerca de Analog DevicesGaN Systems Inc.Desarrollo de Yole