Le straordinarie qualità dei semiconduttori a banda larga (WBG) come il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) li hanno resi interessanti per diversi mercati, inclusi veicoli elettrici, inverter fotovoltaici, caricabatterie veloci e telecomunicazioni. GaN e SiC sono focalizzati sull'energia richiesta per spostare gli elettroni in questi materiali dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questa energia, o bandgap, è 1.1 eV per il silicio (Si), circa 3.2 eV per SiC e 3.4 eV per GaN. Tali proprietà portano a una ripartizione applicabile più elevata voltaggio, che in alcune applicazioni può raggiungere fino a 1,700 V.
Il 5G è la rete di ultima generazione destinata a potenziare l'Internet delle cose. Le reti 5G saranno fino a 20 volte più veloci della rete 4G esistente, consentendo velocità di download video fino a 10 volte più veloci. I semiconduttori di potenza ad alte prestazioni come GaN e SiC stanno svolgendo un ruolo chiave nelle soluzioni a radiofrequenza (RF) 5G, nel trasferimento di potenza wireless (WPT) e negli alimentatori per stazioni base.
Per soddisfare i requisiti di alimentazione in queste applicazioni, gli OEM si stanno rivolgendo in particolare al GaN. Un sistema di alimentazione basato su GaN può offrire una buona opzione per supportare i severi requisiti di trasmissione dati e requisiti di efficienza energetica.
Le stazioni base 5G devono trasmettere segnali nelle bande basse, medie e mmWave. All'aumentare delle frequenze, aumenta anche la potenza necessaria per trasmettere su distanze utili. Grazie alle sue caratteristiche ad alta frequenza, il GaN offre vantaggi rispetto ad altri processi da utilizzare negli amplificatori di potenza per stazioni base (PA) 5G.
Figura 1: Confronto tra potenza e frequenza di diversi materiali nella gamma delle microonde, che include mmWave (Fonte: Analog Devices Inc.)
I severi requisiti per il 5G comportano la densificazione su scala macro, con più stazioni base e densificazione di potenza a livello di dispositivo. Yole Développement prevede che il GaN penetrerà in modo significativo in due mercati con un tasso di crescita annuo composto del 20% nei prossimi decenni, in particolare per la difesa e le telecomunicazioni wireless. GaN svolgerà un ruolo chiave nelle soluzioni wireless ad alte prestazioni con i suoi livelli di efficienza energetica e prestazioni ad alta frequenza.
Nitruro di gallio
Rispetto a Si e arseniuro di gallio (GaAs) Semiconduttore materiali, GaN e SiC sono entrambi composti a banda larga semiconduttore wafer, che hanno le caratteristiche di un'elevata intensità del campo elettrico di rottura, un'elevata velocità di deriva degli elettroni saturi, un'elevata conduttività termica e una bassa costante dielettrica. Le caratteristiche di bassa perdita e alta frequenza di commutazione sono adatte per la produzione di dispositivi elettronici ad alta frequenza, alta potenza, volume ridotto (dimensioni) e alta densità.
Il materiale GaN per i produttori di semiconduttori 5G è orientato al campo dei dispositivi e laser a microonde, ad alta frequenza e a bassa potenza (meno di 1,000 V). Rispetto al semiconduttore di ossido di metallo Si diffuso lateralmente (LDMOS) la tecnologia e soluzioni GaAs, i dispositivi GaN possono fornire maggiore potenza e larghezza di banda.
I semiconduttori di potenza GaN faranno un balzo in avanti nella densità di potenza e nell'imballaggio ogni anno e possono essere meglio adattati alla massiccia tecnologia MIMO. GaN ad alta mobilità elettronica Transistor L'epitassia dei semiconduttori (HEMT) è diventata una tecnologia importante per i PA utilizzati nelle stazioni base macro 5G.
Il mercato dei dispositivi di potenza RF per stazioni base valeva $ 1.1 miliardi nel 2014, quando GaN rappresentava una quota dell'11% e la quota di LDMOS era dell'88%, secondo Yole Développement. Questa stima è aumentata a una quota del 25% entro il 2017 ed è in trend al rialzo (Figure 2 ). Yole prevede che il mercato totale dei dispositivi GaN RF supererà i 2.4 miliardi di dollari entro il 2026, dominato dall'infrastruttura di telecomunicazioni 5G e dalle applicazioni di difesa, che rappresentano rispettivamente il 41% e il 49% del mercato.
Figura 2: Si prevede che GaN dominerà il mercato dei dispositivi di potenza RF entro il 2025. (Fonte: Yole Développement)
Le soluzioni GaN-on-SiC sono un ottimo candidato per le telecomunicazioni 5G, in quanto offrono un'elevata efficienza in una configurazione Doherty a frequenze più elevate su una larghezza di banda più ampia rispetto ai transistor Si LDMOS. GaN Transistor la tecnologia può anche essere abbastanza robusta, operando con gravi disallineamenti di carico ad alta potenza con un degrado minimo delle prestazioni.
Lo spettro mmWave è fondamentale per la realizzazione del 5G. Piccole celle possono essere posizionate vicine tra loro in ambienti urbani per collegamenti in linea di vista, mitigando le proprietà di propagazione con perdita dei segnali ad alta frequenza.
5G e gestione dell'alimentazione
Nella produzione di semiconduttori, il GaN viene solitamente coltivato ad alta temperatura (circa 1,100°C) mediante deposizione di vapore chimico organico metallico o tecniche di epitassia a fascio molecolare su un substrato di SiC per applicazioni RF o silicio per applicazioni elettroniche di potenza.
La combinazione GaN-on-Si non funziona bene, poiché mostra perdite RF più elevate, ma si rivela più economica. GaN-on-SiC, d'altra parte, si distingue nelle applicazioni RF per diversi motivi: Il materiale GaN offre tensioni molto più elevate rispetto ad altri dispositivi a semiconduttore, come accennato in precedenza, e garantisce anche elevati tassi di saturazione. Quando GaN è combinato con una grande capacità di carica, questo si traduce in una densità di corrente molto più elevata per i dispositivi. Il substrato SiC ha una conduttività termica relativamente elevata (~120 W/mK), quindi il calore può essere rimosso più facilmente dal transistor al dissipatore di calore.
La qualità della copertura 5G dipende da molti elementi, compreso l'ambiente circostante. Il segnale 5G può essere interrotto da muri, torri d'acqua e altre barriere alla propagazione RF. La maturazione della tecnologia 5G supportata da semiconduttori WBG, IoT e ricarica wireless lavorerà insieme per creare più innovazione tecnologica per l'infrastruttura 5G.
Le tecnologie WPT basate sulla risonanza magnetica come la tecnologia AirFuel sono emerse negli ultimi anni grazie alla loro elevata frequenza operativa (6.78 MHz) e alla capacità di offrire flessibilità di localizzazione, portata estesa e capacità di ricarica multi-dispositivo. La tecnologia wireless è ben nota, ma la progettazione dei trasmettitori, la loro posizione, la massimizzazione dell'efficienza e la convalida del comportamento dell'intero sistema rappresentano grandi sfide che richiedono l'uso di soluzioni ingegneristiche complesse.
L'avvento delle reti 5G vedrà l'utilizzo di frequenze mmWave con ampia larghezza di banda. Nelle applicazioni di accesso wireless fisso (FWA), l'unità di rete esterna necessita di alimentazione dalla linea di alimentazione interna e dagli adattatori. Invece di soluzioni cablate, è possibile utilizzare un sistema WPT per il trasferimento di potenza per l'unità di rete esterna ed essere utilizzato anche per micro stazioni base 5G e dispositivi IoT come telecamere IP e terminali di rete ottica (fibra a casa).
Il sistema WPT convenzionale è costituito da una sorgente RF a corrente costante con un PA e bobine che fungono da trasmettitore (Tx) e ricevitore (Rx) con caratteristiche specifiche. Sul lato ricevitore, un raddrizzatore a ponte intero trasforma la potenza RF accoppiata in un segnale CC. Una soluzione per le PA è fornita da dispositivi a tecnologia GaN, che possono offrire oltre l'80% di efficienza end-to-end, alla pari dei sistemi cablati, su un intervallo di impedenza molto ampio.
Le bobine di accoppiamento devono essere ottimizzate offrendo un elevato fattore di accoppiamento (Q). La Q della bobina del trasmettitore dovrebbe essere sufficientemente grande da ottenere un elevato fattore di accoppiamento reciproco per trasferire più potenza all'altro lato della parete nelle applicazioni FWA. Sulla base dei calcoli di GaN Systems, una tipica dimensione della bobina di 200 × 200 mm è abbastanza grande da trasferire potenza a una distanza di 250 mm. Gli ingegneri di GaN Systems hanno utilizzato una topologia di amplificatore di classe EF2 e una combinazione di adattamento di impedenza di tipo T e di tipo Pi.
Figura 3: Sistema WPT di GaN Systems per applicazioni di ricarica di unità esterne 5G FWA (Fonte: GaN Systems)
Nuovi sviluppi
I produttori di chip stanno iniziando a concentrare maggiormente lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di potenza GaN per il mercato 5G. Un esempio è il GaN PA di Mitsubishi Electric Corp modulo, che misura 6×10 mm, per stazioni base 5G. Questo dispositivo richiede un numero minimo di componenti SMD, inclusi condensatori e induttori, nell'accoppiamento circuito per controllare l'uscita del segnale di alta qualità. I transistor GaN integrati aiutano ad aumentare l'efficienza dell'amplificatore di potenza.
L'uso di dispositivi SMD per il circuito di accoppiamento può ridurre le dimensioni del fattore di forma ma può anche ridurre l'efficienza energetica, poiché questi dispositivi tendono ad avere un'elevata perdita di potenza. La nuova tecnologia di Mitsubishi Electric, tuttavia, crea un circuito di accoppiamento utilizzando un numero ridotto di SMD offrendo al contempo una maggiore efficienza energetica. Gli SMD offrono anche le stesse caratteristiche elettriche delle linee di trasmissione a lamina metallica.
NXP Semiconductors ha recentemente aperto un nuovo stabilimento in Arizona dedicato alla produzione di transistor GaN per PA 5G. I dispositivi sono prodotti utilizzando SiC come substrato, creando così GaN-on-SiC. Il SiC si dimostra ottimo come conduttore di calore, fondamentale perché il 5G necessita di maggiore efficienza e pilota fino a 64 elementi di antenna, con potenze che vanno da 5 W a 60 W o 80 W.
GaN-on-SiC combina le capacità ad alta densità di potenza del GaN con la conduttività termica superiore e le basse perdite RF del SiC per le applicazioni 5G. La maggiore efficienza significa anche una riduzione delle dimensioni e del peso, rendendoli più facili e meno costosi da installare e gestire. Questo potrebbe fare la differenza sulle reti 5G private installate nelle fabbriche e in altre strutture.
I prodotti di punta della nuova fabbrica sono amplificatori di potenza RF per l'infrastruttura radio 5G che richiede una soluzione di antenna MIMO con 32 o 64 elementi in una configurazione radar phased-array, insieme a soluzioni di antenna più tradizionali ad alta potenza.
sullo sviluppo di Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole