האיכויות המרשימות של מוליכים למחצה עם פס רחב (WBG) כמו גליום ניטריד (GaN) וסיליקון קרביד (SiC) גרמו להם להיות מושכים למספר שווקים, כולל כלי רכב חשמליים, ממירי PV, מטענים מהירים וטלקומוניקציה. GaN ו- SiC מתמקדים באנרגיה הנדרשת להעברת אלקטרונים בחומרים אלה מרצועת הערכיות אל פס ההולכה. אנרגיה זו, או פער הפס, היא 1.1 eV עבור סיליקון (Si), כ -3.2 eV עבור SiC ו- 3.4 eV עבור GaN. נכסים אלה מובילים לפירוט גבוה יותר מתח, שיכולים להגיע עד 1,700 וולט ביישומים מסוימים.
5G היא רשת הדור האחרון שמתוכננת להניע את האינטרנט של הדברים. רשתות הפועלות 5G יהיו מהירות עד 20 × מהרשת הקיימת 4G, מה שמאפשר מהירויות הורדת וידאו עד 10 × מהירות יותר. מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים כמו GaN ו- SiC ממלאים תפקיד מפתח בפתרונות תדר רדיו 5G (RF), העברת חשמל אלחוטית (WPT) ואספקת חשמל בתחנת הבסיס.
כדי לעמוד בדרישות הספק ביישומים אלה, יצרני יצרני OEM פונים ל- GaN במיוחד. מערכת חשמל מבוססת GaN יכולה להציע אפשרות טובה לתמוך בדרישות המחמירות של העברת נתונים ודרישות יעילות אנרגיה.
תחנות בסיס 5G צריכות להעביר אותות ברצועות גלים נמוכות, בינוניות ומממ"ש. ככל שהתדרים עולים, כך גם הכוח הדרוש להעברה למרחקים שימושיים. בגלל מאפייניו בתדירות גבוהה, GaN מציע יתרונות על פני תהליכים אחרים לשימוש במגברי כוח 5G (תחנות בסיס).
איור 1: השוואת עוצמה ותדירות של חומרים שונים בתחום המיקרוגל, הכוללת mmWave (מקור: Analog Devices Inc.)
הדרישות המחמירות עבור 5G כוללות צפיפות בקנה מידה מקרו, עם מספר תחנות בסיס וצפיפות כוח ברמת המכשיר. יול התפתחות צופה כי גאן תחדור משמעותית לשני שווקים עם קצב צמיחה שנתי מורכב של 20% במהלך העשורים הבאים, כלומר בתחום ההגנה והטלקומוניקציה האלחוטית. גאן תשחק תפקיד מפתח בפתרונות אלחוטיים בעלי ביצועים גבוהים עם רמות יעילות הספק שלה וביצועים בתדירות גבוהה.
גליום ניטריד
בהשוואה ל- Si ו- גליום ארסניד (GaAs) סמיקונדקטור חומרים, GaN ו-SiC הם שניהם תרכובת פס רחב סמיקונדקטור פרוסות, שיש להן מאפיינים של חוזק שדה חשמלי פירוק גבוה, מהירות סחיפה גבוהה של אלקטרונים רווי, מוליכות תרמית גבוהה וקבוע דיאלקטרי נמוך. המאפיינים בעלי אובדן נמוך ותדר מיתוג גבוה מתאימים לייצור מכשירים אלקטרוניים בתדר גבוה, בהספק גבוה, בנפח קטן (בגודל) ובצפיפות גבוהה.
חומר ה-GaN עבור יצרני מוליכים למחצה 5G מכוון לתחום מכשירי המיקרוגל, התדרים הגבוהים והספקים הנמוכים (פחות מ-1,000 וולט) והלייזרים. בהשוואה ל-Si מפוזר לרוחב מתכת תחמוצת למחצה (LDMOS) טֶכנוֹלוֹגִיָה ופתרונות GaAs, התקני GaN יכולים לספק יותר כוח ורוחב פס.
מוליכים למחצה של GaN יעשו קפיצת מדרגה בצפיפות הספק ובאריזה מדי שנה ויכולים להיות מותאמים טוב יותר לטכנולוגיית MIMO מסיבית. גאון ניידות גבוהה-אלקטרונית טרנזיסטור (HEMT) אפיטקסיה של מוליכים למחצה הפכה לטכנולוגיה חשובה עבור מכשירי PA המשמשים בתחנות בסיס מאקרו 5G.
השוק של מכשירי חשמל RF לתחנות בסיס היה שווה 1.1 מיליארד דולר בשנת 2014, כאשר גאן היוותה נתח של 11% וחלקה של LDMOS עמד על 88%, על פי יול התפתחות. הערכה זו עלתה למניה של 25% עד 2017 והיא במגמת עלייה (איור 2). Yole צופה כי שוק מכשירי ה- GaN RF הכולל יעלה על 2.4 מיליארד דולר עד שנת 2026, הנשלט על ידי תשתית טלקום 5G ויישומי ביטחון, המייצגים 41% ו -49% מהשוק, בהתאמה.
איור 2: תחזית גאן תשלט בשוק מכשירי הכוח של RF עד שנת 2025. (מקור: יול התפתחות)
פתרונות GaN-on-SiC הם מועמד ראשי לטלקום 5G, מכיוון שהם מציעים יעילות גבוהה בתצורת Doherty בתדרים גבוהים יותר ברוחב פס רחב יותר מאשר טרנזיסטורי Si LDMOS. גאן טרנזיסטור הטכנולוגיה יכולה להיות חזקה למדי, לפעול עם אי התאמות עומס קשות בהספק גבוה עם השפלה מינימלית בביצועים.
ספקטרום mmWave הוא קריטי למימוש 5G. ניתן למקם תאים קטנים זה בזה בסביבות עירוניות לצורך קישורי קו-ראייה, וכך להפחית את מאפייני ההפצה האבודים של אותות בתדר גבוה.
5G וניהול חשמל
בייצור מוליכים למחצה, GaN גדל בדרך כלל בטמפרטורה גבוהה (כ -1,100 מעלות צלזיוס) על ידי שקיעת אדים כימיים אורגניים מתכתיים או טכניקות epitaxy של קרן מולקולרית על מצע SiC ליישומי RF, או סיליקון ליישומים אלקטרוניים חשמליים.
השילוב של GaN-on-Si לא מתפקד טוב מכיוון שהוא מציג הפסדי RF גבוהים יותר, אך הוא מתגלה כזול יותר. לעומת זאת, GaN-on-SiC בולט ביישומי RF מכמה סיבות: חומר ה- GaN מציע מתח גבוה בהרבה ממכשירי מוליכים למחצה אחרים, כאמור לעיל, והוא גם מבטיח שיעורי רוויה גבוהים. כאשר GaN משולב עם קיבולת טעינה גדולה, הדבר מתורגם לצפיפות זרם גבוהה בהרבה למכשירים. למצע SiC יש מוליכות תרמית גבוהה יחסית (~ 120 W / mK), כך שניתן להסיר ביתר קלות את הטרנזיסטור אל גוף הקירור.
איכות הכיסוי של 5G תלויה באלמנטים רבים, כולל הסביבה שמסביב. את האות 5G ניתן להפריע על ידי קירות, מגדלי מים, וחסמים אחרים להתרבות RF. ההתבגרות של טכנולוגיית 5G הנתמכת על ידי מוליכים למחצה WBG, IoT וטעינה אלחוטית, יעבדו יחד כדי ליצור חדשנות טכנולוגית יותר עבור תשתית 5G.
טכנולוגיות WPT מבוססות תהודה מגנטית כמו טכנולוגיית AirFuel צמחו בשנים האחרונות בעוצמת תדר ההפעלה הגבוה שלהן (6.78 מגה-הרץ) וביכולתן להציע גמישות מיקום, טווח מורחב ויכולות טעינה מרובות מכשירים. הטכנולוגיה האלחוטית ידועה, אך תכנון המשדרים, מיקומם, יעילותם המקסימלית ותיקוף התנהגות המערכת כולה מייצגים אתגרים גדולים המחייבים שימוש בפתרונות הנדסיים מורכבים.
הופעתן של רשתות 5G תראה שימוש בתדרי mmWave עם רוחב פס גדול. ביישומי גישה אלחוטית קבועה (FWA), יחידת הרשת החיצונית זקוקה לחשמל מקו החשמל הפנימי ומהמתאמים. במקום פתרונות קווית, ניתן להשתמש במערכת WPT להעברת כוח ליחידת הרשת החיצונית ולשמש גם לתחנות בסיס מיקרו 5G והתקני IoT כגון מצלמות IP ומסופי רשת אופטיים (סיבים לבית).
מערכת ה- WPT הקונבנציונאלית מורכבת ממקור RF קבוע עם זרם PA וסלילים המשמשים כמשדר (Tx) ומקלט (Rx) עם מאפיינים ספציפיים. בצד המקלט, מיישר גשר מלא הופך את כוח ה- RF המצומד לאות DC. פתרון עבור מכשירי PA ניתן על ידי התקני טכנולוגיית GaN, אשר יכולים להציע יעילות של יותר מ -80% מקצה לקצה, בדומה למערכות קוויות, בטווח עכבה רחב מאוד.
יש לבצע אופטימיזציה של סלילי צימוד על ידי הצעת גורם צימוד גבוה (Q). ה- Q של סליל המשדר צריך להיות גדול מספיק כדי להשיג גורם צימוד הדדי גבוה כדי להעביר יותר כוח לצד השני של הקיר ביישומי FWA. בהתבסס על חישובים של GaN Systems, גודל סליל טיפוסי של 200 × 200 מ"מ גדול מספיק כדי להעביר כוח במרחק של 250 מ"מ. מהנדסי גאן מערכות השתמשו בטופולוגיה של מגבר Class EF2 ובשילוב של התאמה של עכבה מסוג T ו- Pi מסוג Pi.
איור 3: מערכת ה- WPT של GaN Systems ליישומי טעינה של יחידות FWA 5G חיצוניות (מקור: GaN Systems)
התפתחויות חדשות
יצרניות השבבים מתחילות למקד יותר מפיתוח טכנולוגיית מוליכים למחצה כוח GaN שלהן עבור שוק ה-5G. דוגמה אחת היא GaN PA של מיצובישי אלקטריק קורפ מודול, בגודל 6 × 10 מ"מ, עבור תחנות בסיס 5G. התקן זה דורש מספר מינימלי של רכיבי SMD, כולל קבלים ומשרנים, בצימוד מעגל כדי לשלוט על פלט האות האיכותי. טרנזיסטורי ה- GaN המשולבים עוזרים להגביר את היעילות של מגבר הכוח.
השימוש בהתקני SMD למעגל ההצמדה יכול להפחית את גודל גורם הצורה, אך יכול גם להפחית את יעילות האנרגיה, מכיוון שלמכשירים אלה יש נטייה לאובדן הספק גבוה. הטכנולוגיה החדשה של מיצובישי אלקטריק יוצרת מעגל צימוד באמצעות מספר מופחת של SMD תוך שהיא מציעה יעילות הספק גבוהה יותר. ה- SMD מציעים גם את אותם מאפיינים חשמליים כמו קווי העברת נייר מתכת.
NXP Semiconductors פתחה לאחרונה מפעל חדש באריזונה המוקדש לייצור טרנזיסטורי GaN עבור מכשירי PA 5G. המכשירים מיוצרים באמצעות SiC כמצע, וכך נוצרים GaN-on-SiC. SiC מוכיח שהוא מצוין כמוליך חום, דבר חיוני מכיוון ש- 5G זקוקה ליעילות טובה יותר ומניעה עד 64 אלמנטים של אנטנות, בהספק שנע בין 5 W ל- 60 W או 80 W.
GaN-on-SiC משלב את יכולות הצפיפות בעלות הספק גבוה של GaN עם מוליכות תרמית מעולה והפסדי RF נמוכים של SiC ליישומי 5G. היעילות הגבוהה יותר פירושה גם הפחתה בגודל ובמשקל, מה שהופך אותם לקלים יותר ופחות יקרים להתקנה ולניהול. זה יכול להשפיע על רשתות 5G פרטיות המותקנות במפעלים ומתקנים אחרים.
מוצרי הדגל של fab החדש הם מגברי הספק RF לתשתית הרדיו 5G הדורשים פיתרון אנטנה MIMO עם 32 או 64 אלמנטים בתצורת מכ"ם בשלבים, יחד עם פתרונות אנטנה מסורתיים יותר.
אודות Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Developpement