Les qualités impressionnantes des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) les ont rendus attrayants pour plusieurs marchés, notamment les véhicules électriques, les onduleurs photovoltaïques, les chargeurs rapides et les télécommunications. GaN et SiC se concentrent sur l'énergie nécessaire pour déplacer les électrons dans ces matériaux de la bande de valence à la bande de conduction. Cette énergie, ou bande interdite, est de 1.1 eV pour le silicium (Si), d'environ 3.2 eV pour le SiC et de 3.4 eV pour le GaN. Ces propriétés conduisent à une répartition applicable plus élevée Tension, qui peut atteindre jusqu'à 1,700 V dans certaines applications.
La 5G est le réseau de dernière génération qui est sur le point d'alimenter l'Internet des objets. Les réseaux fonctionnant en 5G seront jusqu'à 20 fois plus rapides que le réseau 4G existant, permettant des vitesses de téléchargement de vidéos jusqu'à 10 fois plus rapides. Les semi-conducteurs de puissance hautes performances tels que le GaN et le SiC jouent un rôle clé dans les solutions de radiofréquence (RF) 5G, le transfert de puissance sans fil (WPT) et les alimentations des stations de base.
Pour répondre aux besoins de puissance de ces applications, les équipementiers se tournent notamment vers le GaN. Un système d'alimentation à base de GaN peut offrir une bonne option pour répondre aux exigences strictes de transmission de données et aux exigences d'efficacité énergétique.
Les stations de base 5G doivent transmettre des signaux dans les bandes basses, moyennes et mmWave. À mesure que les fréquences augmentent, la puissance requise pour transmettre sur des distances utiles augmente également. En raison de ses caractéristiques haute fréquence, le GaN offre des avantages par rapport aux autres processus à utiliser dans les amplificateurs de puissance (PA) des stations de base 5G.
Figure 1 : Comparaison de la puissance et de la fréquence de différents matériaux dans la gamme des micro-ondes, qui comprend mmWave (Source : Analog Devices Inc.)
Les exigences strictes de la 5G impliquent une densification à grande échelle, avec plusieurs stations de base et une densification de puissance au niveau de l'appareil. Yole Développement prévoit que GaN pénétrera de manière significative deux marchés avec un taux de croissance annuel composé de 20% au cours des prochaines décennies, à savoir pour la défense et les télécommunications sans fil. GaN jouera un rôle clé dans les solutions sans fil hautes performances avec ses niveaux d'efficacité énergétique et ses performances à haute fréquence.
Nitrure de gallium
Par rapport au Si et à l'arséniure de gallium (GaAs) Semi-conducteurs les matériaux, GaN et SiC sont tous deux des composés à large bande semi-conducteur des tranches, qui présentent les caractéristiques d'une intensité de champ électrique de claquage élevée, d'une vitesse de dérive des électrons saturés élevée, d'une conductivité thermique élevée et d'une faible constante diélectrique. Les caractéristiques de faible perte et de fréquence de commutation élevée conviennent à la fabrication de dispositifs électroniques haute fréquence, haute puissance, de petit volume (taille) et haute densité.
Le matériau GaN destiné aux fabricants de semi-conducteurs 5G est orienté vers le domaine des dispositifs et lasers à micro-ondes, haute fréquence et faible puissance (moins de 1,000 XNUMX V). Comparé au semi-conducteur à oxyde métallique à diffusion latérale Si (LDMOS) sans souci et les solutions GaAs, les appareils GaN peuvent fournir plus de puissance et de bande passante.
Les semi-conducteurs de puissance GaN feront chaque année un bond en termes de densité de puissance et de conditionnement et pourront être mieux adaptés à la technologie MIMO massive. GaN haute mobilité électronique Transistor L'épitaxie des semi-conducteurs (HEMT) est devenue une technologie importante pour les PA utilisés dans les stations de base macro 5G.
Le marché des dispositifs d'alimentation RF pour stations de base s'élevait à 1.1 milliard de dollars en 2014, lorsque GaN représentait 11% des parts et la part de LDMOS était de 88%, selon Yole Développement. Cette estimation est passée à une part de 25 % en 2017 et suit une tendance à la hausse (Figure 2). Yole prévoit que le marché total des appareils RF GaN dépassera 2.4 milliards de dollars d'ici 2026, dominé par l'infrastructure de télécommunications 5G et les applications de défense, représentant respectivement 41 % et 49 % du marché.
Figure 2 : Le GaN devrait dominer le marché des dispositifs de puissance RF d'ici 2025. (Source : Yole Développement)
Les solutions GaN-on-SiC sont un candidat de choix pour les télécommunications 5G, car elles offrent un rendement élevé dans une configuration Doherty à des fréquences plus élevées sur une bande passante plus large que les transistors Si LDMOS. GaN Transistor la technologie peut également être assez robuste, fonctionnant avec de graves disparités de charge à haute puissance avec une dégradation minimale des performances.
Le spectre mmWave est essentiel à la réalisation de la 5G. De petites cellules peuvent être placées à proximité les unes des autres dans des environnements urbains pour des liaisons en visibilité directe, atténuant les propriétés de propagation avec perte des signaux haute fréquence.
5G et gestion de l'alimentation
Dans la fabrication de semi-conducteurs, le GaN est généralement cultivé à haute température (environ 1,100 XNUMX °C) par des techniques de dépôt chimique en phase vapeur ou d'épitaxie par faisceau moléculaire sur un substrat de SiC pour les applications RF, ou de silicium pour les applications d'électronique de puissance.
La combinaison GaN-sur-Si ne fonctionne pas bien, car elle présente des pertes RF plus élevées, mais elle s'avère moins chère. GaN-on-SiC, en revanche, se distingue dans les applications RF pour plusieurs raisons : le matériau GaN offre des tensions beaucoup plus élevées que les autres dispositifs semi-conducteurs, comme mentionné ci-dessus, et il garantit également des taux de saturation élevés. Lorsque GaN est combiné à une grande capacité de charge, cela se traduit par une densité de courant beaucoup plus élevée pour les appareils. Le substrat SiC a une conductivité thermique relativement élevée (environ 120 W/mK), de sorte que la chaleur peut être plus facilement évacuée du transistor vers le dissipateur thermique.
La qualité de la couverture 5G dépend de nombreux éléments, dont le milieu environnant. Le signal 5G peut être interrompu par des murs, des châteaux d'eau et d'autres obstacles à la propagation RF. La maturation de la technologie 5G prise en charge par les semi-conducteurs WBG, l'IoT et la recharge sans fil fonctionnera ensemble pour créer davantage d'innovations technologiques pour l'infrastructure 5G.
Les technologies WPT basées sur la résonance magnétique telles que la technologie d'AirFuel ont émergé ces dernières années en raison de leur fréquence de fonctionnement élevée (6.78 MHz) et de leur capacité à offrir une flexibilité de localisation, une portée étendue et des capacités de charge multi-appareils. La technologie sans fil est bien connue, mais la conception des émetteurs, leur emplacement, la maximisation de l'efficacité et la validation du comportement de l'ensemble du système représentent de grands défis qui nécessitent l'utilisation de solutions d'ingénierie complexes.
L'avènement des réseaux 5G verra l'utilisation de fréquences mmWave avec une large bande passante. Dans les applications d'accès sans fil fixe (FWA), l'unité réseau externe a besoin d'être alimentée par la ligne électrique interne et les adaptateurs. Au lieu de solutions filaires, un système WPT peut être utilisé pour le transfert de puissance pour l'unité de réseau externe et également être utilisé pour les microstations de base 5G et les appareils IoT tels que les caméras IP et les terminaux de réseau optique (fibre à domicile).
Le système WPT conventionnel se compose d'une source RF à courant constant avec un PA et des bobines qui agissent comme un émetteur (Tx) et un récepteur (Rx) avec des caractéristiques spécifiques. Côté récepteur, un redresseur en pont complet transforme la puissance RF couplée en un signal continu. Une solution pour les PA est apportée par les dispositifs de technologie GaN, qui peuvent offrir un rendement de plus de 80 % de bout en bout, à égalité avec les systèmes filaires, sur une très large plage d'impédance.
Les bobines de couplage doivent être optimisées en offrant un facteur de couplage (Q) élevé. Le Q de la bobine émettrice doit être suffisamment grand pour obtenir un facteur de couplage mutuel élevé afin de transférer plus de puissance de l'autre côté du mur dans les applications FWA. Sur la base des calculs de GaN Systems, une taille de bobine typique de 200 × 200 mm est suffisamment grande pour transférer la puissance à une distance de 250 mm. Les ingénieurs de GaN Systems ont utilisé une topologie d'amplificateur de classe EF2 et une combinaison d'adaptation d'impédance de type T et de type Pi.
Figure 3 : Système WPT de GaN Systems pour les applications de recharge d'unités extérieures 5G FWA (Source : GaN Systems)
Nouveaux développements
Les fabricants de puces commencent à concentrer davantage le développement de leur technologie de semi-conducteurs de puissance GaN sur le marché de la 5G. Un exemple est le GaN PA de Mitsubishi Electric Corp. module, mesurant 6 × 10 mm, pour les stations de base 5G. Cet appareil nécessite un nombre minimum de composants CMS, y compris des condensateurs et des inductances, dans le couplage circuit pour contrôler la sortie du signal de haute qualité. Les transistors GaN intégrés contribuent à augmenter l'efficacité de l'amplificateur de puissance.
L'utilisation de dispositifs CMS pour le circuit de couplage peut réduire la taille du facteur de forme mais peut également réduire l'efficacité énergétique, car ces dispositifs ont tendance à avoir une perte de puissance élevée. Cependant, la nouvelle technologie de Mitsubishi Electric crée un circuit de couplage utilisant un nombre réduit de CMS tout en offrant une efficacité énergétique plus élevée. Les CMS offrent également les mêmes caractéristiques électriques que les lignes de transmission à feuille métallique.
NXP Semiconductors a récemment ouvert une nouvelle usine en Arizona dédiée à la production de transistors GaN pour les PA 5G. Les dispositifs sont fabriqués en utilisant du SiC comme substrat, créant ainsi du GaN-on-SiC. Le SiC s'avère excellent en tant que conducteur thermique, ce qui est crucial car la 5G a besoin d'une meilleure efficacité et entraîne jusqu'à 64 éléments d'antenne, avec une puissance allant de 5 W à 60 W ou 80 W.
GaN-on-SiC combine les capacités de haute densité de puissance du GaN avec la conductivité thermique supérieure et les faibles pertes RF du SiC pour les applications 5G. L'efficacité plus élevée signifie également une réduction de la taille et du poids, ce qui les rend plus faciles et moins coûteuses à installer et à gérer. Cela pourrait faire une différence sur les réseaux 5G privés installés dans les usines et autres installations.
Les produits phares de la nouvelle usine sont des amplificateurs de puissance RF pour l'infrastructure radio 5G qui nécessitent une solution d'antenne MIMO avec 32 ou 64 éléments dans une configuration radar à commande de phase, ainsi que des solutions d'antenne plus traditionnelles de plus grande puissance.
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