Kualitas yang mengesankan dari semikonduktor celah pita lebar (WBG) seperti galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC) telah membuatnya menarik bagi beberapa pasar, termasuk kendaraan listrik, inverter PV, pengisi daya cepat, dan telekomunikasi. GaN dan SiC difokuskan pada energi yang dibutuhkan untuk menggeser elektron dalam material ini dari pita valensi ke pita konduksi. Energi ini, atau celah pita, adalah 1.1 eV untuk silikon (Si), sekitar 3.2 eV untuk SiC, dan 3.4 eV untuk GaN. Properti tersebut mengarah ke perincian yang berlaku lebih tinggi tegangan, yang dapat mencapai hingga 1,700 V dalam beberapa aplikasi.
5G adalah jaringan generasi terbaru yang siap mendukung internet of things. Jaringan yang menjalankan 5G akan 20x lebih cepat dari jaringan 4G yang ada, memungkinkan kecepatan pengunduhan video hingga 10x lebih cepat. Semikonduktor daya berkinerja tinggi seperti GaN dan SiC memainkan peran penting dalam solusi frekuensi radio (RF) 5G, transfer daya nirkabel (WPT), dan catu daya stasiun pangkalan.
Untuk memenuhi kebutuhan daya dalam aplikasi ini, OEM secara khusus beralih ke GaN. Sistem tenaga berbasis GaN dapat menawarkan opsi yang baik untuk mendukung permintaan transmisi data yang ketat dan persyaratan efisiensi energi.
BTS 5G perlu mengirimkan sinyal dalam pita rendah, sedang, dan mmWave. Ketika frekuensi meningkat, begitu juga daya yang dibutuhkan untuk mentransmisikan jarak yang berguna. Karena karakteristik frekuensinya yang tinggi, GaN menawarkan keunggulan dibandingkan proses lain untuk digunakan dalam penguat daya stasiun pangkalan (PA) 5G.
Gambar 1: Membandingkan daya dan frekuensi bahan yang berbeda dalam rentang gelombang mikro, yang mencakup mmWave (Sumber: Analog Devices Inc.)
Persyaratan ketat untuk 5G melibatkan densifikasi skala makro, dengan beberapa BTS dan densifikasi daya di tingkat perangkat. Yole Développement memperkirakan bahwa GaN akan secara signifikan menembus dua pasar dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 20% selama beberapa dekade mendatang, yaitu untuk pertahanan dan telekomunikasi nirkabel. GaN akan memainkan peran kunci dalam solusi nirkabel berkinerja tinggi dengan tingkat efisiensi daya dan kinerja frekuensi tinggi.
Gallium nitrida
Dibandingkan dengan Si dan gallium arsenide (GaAs) Semikonduktor material, GaN dan SiC keduanya merupakan senyawa broadband semikonduktor wafer yang memiliki karakteristik kuat medan listrik tembus tinggi, kecepatan penyimpangan elektron jenuh tinggi, konduktivitas termal tinggi, dan konstanta dielektrik rendah. Karakteristik frekuensi kehilangan rendah dan frekuensi peralihan tinggi cocok untuk pembuatan perangkat elektronik berfrekuensi tinggi, berdaya tinggi, volume (ukuran) kecil, dan kepadatan tinggi.
Bahan GaN untuk produsen semikonduktor 5G berorientasi pada bidang perangkat dan laser gelombang mikro, frekuensi tinggi, dan berdaya rendah (kurang dari 1,000 V). Dibandingkan dengan semikonduktor oksida logam terdifusi lateral (LDMOS) Si teknologi dan solusi GaAs, perangkat GaN dapat memberikan lebih banyak daya dan bandwidth.
Semikonduktor daya GaN akan membuat lompatan dalam kepadatan daya dan pengemasan setiap tahun dan dapat disesuaikan dengan lebih baik dengan teknologi MIMO yang masif. Mobilitas elektron tinggi GaN Transistor (HEMT) semikonduktor epitaksi telah menjadi teknologi penting untuk PA yang digunakan di stasiun pangkalan makro 5G.
Pasar untuk perangkat daya RF untuk stasiun pangkalan bernilai $ 1.1 miliar pada tahun 2014, ketika GaN menyumbang 11% dan pangsa LDMOS adalah 88%, menurut Yole Développement. Estimasi ini meningkat menjadi 25% pada tahun 2017 dan cenderung meningkat (Gambar 2). Yole memperkirakan bahwa total pasar perangkat RF GaN akan melebihi $2.4 miliar pada tahun 2026, didominasi oleh infrastruktur telekomunikasi 5G dan aplikasi pertahanan, masing-masing mewakili 41% dan 49% pasar.
Gambar 2: GaN diperkirakan akan mendominasi pasar perangkat daya RF pada tahun 2025. (Sumber: Yole Développement)
Solusi GaN-on-SiC adalah kandidat utama untuk telekomunikasi 5G, karena menawarkan efisiensi tinggi dalam konfigurasi Doherty pada frekuensi yang lebih tinggi melalui bandwidth yang lebih lebar daripada transistor Si LDMOS. GaN Transistor teknologi juga bisa sangat kuat, beroperasi dengan ketidakcocokan beban yang parah pada daya tinggi dengan penurunan kinerja minimal.
Spektrum mmWave sangat penting untuk realisasi 5G. Sel-sel kecil dapat ditempatkan berdekatan di lingkungan perkotaan untuk link line-of-sight, mengurangi sifat propagasi lossy dari sinyal frekuensi tinggi.
5G dan manajemen daya
Dalam manufaktur semikonduktor, GaN biasanya tumbuh pada suhu tinggi (sekitar 1,100 ° C) dengan deposisi uap kimia organik logam atau teknik epitaksi berkas molekul pada substrat SiC untuk aplikasi RF, atau silikon untuk aplikasi elektronik daya.
Kombinasi GaN-on-Si tidak bekerja dengan baik, karena menunjukkan kerugian RF yang lebih tinggi, tetapi terbukti lebih murah. GaN-on-SiC, di sisi lain, menonjol dalam aplikasi RF karena beberapa alasan: Bahan GaN menawarkan tegangan yang jauh lebih tinggi daripada perangkat semikonduktor lainnya, seperti yang disebutkan di atas, dan juga menjamin tingkat kejenuhan yang tinggi. Ketika GaN digabungkan dengan kapasitas muatan yang besar, ini berarti kepadatan arus yang jauh lebih tinggi untuk perangkat. Substrat SiC memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi (~120 W/mK), sehingga panas dapat lebih mudah dipindahkan dari transistor ke unit pendingin.
Kualitas jangkauan 5G tergantung pada banyak elemen, termasuk lingkungan sekitar. Sinyal 5G dapat terganggu oleh dinding, menara air, dan penghalang lain untuk propagasi RF. Pematangan teknologi 5G yang didukung oleh semikonduktor WBG, IoT, dan wireless charging akan bekerja sama untuk menciptakan lebih banyak inovasi teknologi untuk infrastruktur 5G.
Teknologi WPT berbasis resonansi magnetik seperti teknologi AirFuel telah muncul dalam beberapa tahun terakhir pada kekuatan frekuensi operasinya yang tinggi (6.78 MHz) dan kemampuan untuk menawarkan fleksibilitas lokasi, jangkauan yang diperluas, dan kemampuan pengisian daya multi-perangkat. Teknologi nirkabel sudah terkenal, tetapi desain pemancar, lokasinya, memaksimalkan efisiensi, dan memvalidasi perilaku seluruh sistem merupakan tantangan besar yang memerlukan penggunaan solusi teknik yang kompleks.
Munculnya jaringan 5G akan melihat penggunaan frekuensi mmWave dengan bandwidth yang besar. Dalam aplikasi fixed wireless access (FWA), unit jaringan eksternal membutuhkan daya dari saluran listrik internal dan adaptor. Alih-alih solusi kabel, sistem WPT dapat digunakan untuk transfer daya untuk unit jaringan eksternal dan juga digunakan untuk stasiun pangkalan mikro 5G dan perangkat IoT seperti kamera IP dan terminal jaringan optik (fiber-to-home).
Sistem WPT konvensional terdiri dari sumber RF arus konstan dengan PA dan kumparan yang bertindak sebagai pemancar (Tx) dan penerima (Rx) dengan karakteristik tertentu. Di sisi penerima, penyearah jembatan penuh mengubah daya RF yang digabungkan menjadi sinyal DC. Solusi untuk PA disediakan oleh perangkat teknologi GaN, yang dapat menawarkan lebih dari 80% efisiensi ujung ke ujung, setara dengan sistem kabel, pada rentang impedansi yang sangat luas.
Koil kopling harus dioptimalkan dengan menawarkan faktor kopling tinggi (Q). Q koil pemancar harus cukup besar untuk mencapai faktor kopling timbal balik yang tinggi untuk mentransfer lebih banyak daya ke sisi lain dinding dalam aplikasi FWA. Berdasarkan perhitungan dari Sistem GaN, ukuran koil tipikal 200 × 200 mm cukup besar untuk mentransfer daya pada jarak 250 mm. Insinyur Sistem GaN menggunakan topologi penguat Kelas EF2 dan kombinasi pencocokan impedansi tipe-T plus tipe-Pi.
Gambar 3: Sistem WPT Sistem GaN untuk aplikasi pengisian daya unit luar ruangan FWA 5G (Sumber: Sistem GaN)
Perkembangan baru
Para pembuat chip mulai lebih memfokuskan pengembangan teknologi semikonduktor daya GaN mereka untuk pasar 5G. Salah satu contohnya adalah GaN PA milik Mitsubishi Electric Corp modul, berukuran 6 × 10 mm, untuk stasiun pangkalan 5G. Perangkat ini memerlukan jumlah minimum komponen SMD, termasuk kapasitor dan induktor, dalam koplingnya sirkit untuk mengontrol output sinyal berkualitas tinggi. Transistor GaN terintegrasi membantu meningkatkan efisiensi power amplifier.
Penggunaan perangkat SMD untuk rangkaian kopling dapat mengurangi ukuran faktor bentuk tetapi juga dapat mengurangi efisiensi energi, karena perangkat ini cenderung memiliki kehilangan daya yang tinggi. Namun, teknologi baru Mitsubishi Electric menciptakan sirkuit kopling menggunakan jumlah SMD yang lebih sedikit sambil menawarkan efisiensi daya yang lebih tinggi. SMD juga menawarkan karakteristik listrik yang sama dengan saluran transmisi foil logam.
Semikonduktor NXP baru-baru ini membuka pabrik baru di Arizona yang didedikasikan untuk produksi transistor GaN untuk 5G PA. Perangkat diproduksi menggunakan SiC sebagai substrat, sehingga menciptakan GaN-on-SiC. SiC terbukti sangat baik sebagai konduktor panas, yang sangat penting karena 5G membutuhkan efisiensi yang lebih baik dan menggerakkan hingga 64 elemen antena, dengan daya mulai dari 5 W hingga 60 W atau 80 W.
GaN-on-SiC menggabungkan kemampuan GaN dengan kepadatan daya tinggi dengan konduktivitas termal yang unggul dan kehilangan RF yang rendah dari SiC untuk aplikasi 5G. Efisiensi yang lebih tinggi juga berarti pengurangan ukuran dan berat, membuatnya lebih mudah dan lebih murah untuk dipasang dan dikelola. Ini dapat membuat perbedaan pada jaringan 5G pribadi yang dipasang di pabrik dan fasilitas lainnya.
Produk unggulan pabrikan baru ini adalah penguat daya RF untuk infrastruktur radio 5G yang memerlukan solusi antena MIMO dengan 32 atau 64 elemen dalam konfigurasi radar array bertahap, bersama dengan solusi antena daya tinggi yang lebih tradisional.
tentang Perangkat AnalogGaN Systems Inc.Pengembangan Yole