Kualiti semikonduktor lebar jalur lebar (WBG) yang mengagumkan seperti gallium nitride (GaN) dan silikon karbida (SiC) telah menjadikan mereka menarik di beberapa pasaran, termasuk kenderaan elektrik, penyongsang PV, pengecas pantas, dan telekomunikasi. GaN dan SiC tertumpu pada tenaga yang diperlukan untuk mengalihkan elektron dalam bahan ini dari jalur valensi ke jalur konduksi. Tenaga 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 membawa kepada kerosakan yang lebih tinggi voltan, yang dapat mencapai hingga 1,700 V dalam beberapa aplikasi.
5G adalah rangkaian generasi terkini yang bersedia untuk menghidupkan internet pelbagai perkara. Rangkaian yang menjalankan 5G akan mencapai 20 × lebih cepat daripada rangkaian 4G yang ada, yang membolehkan kelajuan memuat turun video hingga 10 × lebih cepat. Semikonduktor tenaga berprestasi tinggi seperti GaN dan SiC memainkan peranan penting dalam penyelesaian frekuensi radio (RF) 5G, pemindahan kuasa tanpa wayar (WPT), dan bekalan kuasa stesen pangkalan.
Untuk memenuhi keperluan kuasa dalam aplikasi ini, OEM beralih ke GaN secara khusus. Sistem kuasa berasaskan GaN dapat menawarkan pilihan yang baik untuk mendukung tuntutan ketat penghantaran data dan keperluan kecekapan tenaga.
Stesen asas 5G perlu menghantar isyarat dalam jalur gelombang rendah, sederhana dan mmWave. Apabila frekuensi meningkat, begitu juga daya yang diperlukan untuk menghantar jarak yang berguna. Kerana ciri frekuensi tinggi, GaN menawarkan kelebihan berbanding proses lain untuk digunakan dalam penguat kuasa stesen pangkalan 5G (PA).
Gambar 1: Membandingkan daya dan kekerapan bahan yang berbeza dalam julat gelombang mikro, yang merangkumi mmWave (Sumber: Analog Devices Inc.)
Keperluan ketat untuk 5G melibatkan pemadatan skala makro, dengan beberapa stesen pangkalan dan pemadatan kuasa pada tahap peranti. Yole Développement meramalkan bahawa GaN akan menembusi dua pasaran dengan ketara dengan kadar pertumbuhan tahunan kompaun 20% dalam beberapa dekad akan datang, iaitu untuk pertahanan dan telekomunikasi tanpa wayar. GaN akan memainkan peranan penting dalam penyelesaian tanpa wayar berprestasi tinggi dengan tahap kecekapan kuasa dan prestasi frekuensi tinggi.
Gallium nitrida
Berbanding dengan Si dan gallium arsenide (GaAs) Semikonduktor bahan, GaN dan SiC adalah kedua-duanya sebatian jalur lebar semikonduktor wafer, yang mempunyai ciri-ciri kekuatan medan elektrik pecahan tinggi, halaju hanyutan elektron tepu yang tinggi, kekonduksian terma yang tinggi, dan pemalar dielektrik yang rendah. Ciri-ciri frekuensi rendah dan pensuisan tinggi sesuai untuk pembuatan peranti elektronik frekuensi tinggi, berkuasa tinggi, volum kecil (saiz) dan berketumpatan tinggi.
Bahan GaN untuk pengeluar semikonduktor 5G berorientasikan kepada bidang peranti dan laser gelombang mikro, frekuensi tinggi dan kuasa rendah (kurang daripada 1,000 V). Berbanding dengan semikonduktor logam-oksida (LDMOS) tersebar secara sisi. teknologi dan penyelesaian GaAs, peranti GaN boleh memberikan lebih kuasa dan lebar jalur.
Semikonduktor kuasa GaN akan membuat lonjakan kepadatan kuasa dan pembungkusan setiap tahun dan dapat disesuaikan dengan lebih baik kepada teknologi MIMO besar-besaran. GaN elektron tinggi – mobiliti Transistor Epitaxy semikonduktor telah menjadi teknologi penting untuk PA yang digunakan di stesen pangkalan makro 5G.
Pasaran untuk peranti kuasa RF untuk stesen pangkalan bernilai $ 1.1 bilion pada tahun 2014, ketika GaN menyumbang 11% bahagian dan bahagian LDMOS adalah 88%, menurut Yole Développement. Anggaran ini meningkat kepada bahagian 25% pada tahun 2017 dan semakin meningkat (Rajah 2). Yole meramalkan bahawa keseluruhan pasaran peranti RF GaN akan melebihi $ 2.4 bilion pada tahun 2026, dikuasai oleh aplikasi infrastruktur dan pertahanan telekomunikasi 5G, masing-masing mewakili 41% dan 49% dari pasaran.
Gambar 2: GaN diramalkan akan menguasai pasaran peranti kuasa RF pada tahun 2025. (Sumber: Yole Développement)
Penyelesaian GaN-on-SiC adalah calon utama untuk telekomunikasi 5G, kerana ia menawarkan kecekapan tinggi dalam konfigurasi Doherty pada frekuensi yang lebih tinggi pada lebar jalur yang lebih luas daripada transistor Si LDMOS. GaN Transistor teknologi juga cukup mantap, beroperasi dengan ketidakcocokan beban yang teruk pada kuasa tinggi dengan penurunan prestasi minimum.
Spektrum mmWave sangat penting untuk mewujudkan 5G. Sel-sel kecil dapat ditempatkan berdekatan di persekitaran bandar untuk hubungan jarak pandang, mengurangkan sifat penyebaran kehilangan frekuensi tinggi.
5G dan pengurusan kuasa
Dalam pembuatan semikonduktor, GaN biasanya ditanam pada suhu tinggi (sekitar 1,100 ° C) oleh pemendapan wap kimia organik logam atau teknik epitaxy sinar molekul pada substrat SiC untuk aplikasi RF, atau silikon untuk aplikasi elektronik kuasa.
Gabungan GaN-on-Si tidak berfungsi dengan baik, kerana menunjukkan kehilangan RF yang lebih tinggi, tetapi terbukti lebih murah. GaN-on-SiC, di sisi lain, menonjol dalam aplikasi RF kerana beberapa sebab: Bahan GaN menawarkan voltan yang jauh lebih tinggi daripada peranti semikonduktor lain, seperti yang disebutkan di atas, dan juga menjamin kadar tepu yang tinggi. Apabila GaN digabungkan dengan kapasiti cas yang besar, ini akan menjadi kepadatan arus yang jauh lebih tinggi untuk peranti. Substrat SiC mempunyai kekonduksian terma yang agak tinggi (~ 120 W / mK), jadi haba dapat dikeluarkan dengan lebih mudah dari transistor ke unit pendingin.
Kualiti liputan 5G bergantung pada banyak elemen, termasuk persekitaran di sekitarnya. Isyarat 5G dapat terganggu oleh dinding, menara air, dan halangan lain untuk penyebaran RF. Pematangan teknologi 5G yang disokong oleh semikonduktor WBG, IoT, dan pengecasan tanpa wayar akan bekerjasama untuk mewujudkan lebih banyak inovasi teknologi untuk infrastruktur 5G.
Teknologi WPT berasaskan magnetik-resonansi seperti teknologi AirFuel telah muncul dalam beberapa tahun terakhir berdasarkan kekuatan frekuensi operasi tinggi mereka (6.78 MHz) dan kemampuan untuk menawarkan fleksibiliti lokasi, jarak yang luas, dan kemampuan pengisian pelbagai peranti. Teknologi tanpa wayar terkenal, tetapi reka bentuk pemancar, lokasinya, memaksimumkan kecekapan, dan mengesahkan tingkah laku keseluruhan sistem mewakili cabaran besar yang memerlukan penggunaan penyelesaian kejuruteraan yang kompleks.
Munculnya rangkaian 5G akan menyaksikan penggunaan frekuensi mmWave dengan lebar jalur yang besar. Dalam aplikasi akses tanpa wayar tetap (FWA), unit rangkaian luaran memerlukan kuasa dari saluran kuasa dalaman dan penyesuai. Daripada penyelesaian berwayar, sistem WPT dapat digunakan untuk pemindahan kuasa untuk unit rangkaian luaran dan juga dapat digunakan untuk stesen pangkalan mikro 5G dan peranti IoT seperti kamera IP dan terminal rangkaian optik (fiber-to-home).
Sistem WPT konvensional terdiri daripada sumber RF arus terus dengan PA dan gegelung yang bertindak sebagai pemancar (Tx) dan penerima (Rx) dengan ciri-ciri tertentu. Di sisi penerima, penerus jambatan penuh mengubah kuasa RF yang digabungkan menjadi isyarat DC. Penyelesaian untuk PA disediakan oleh peranti teknologi GaN, yang dapat menawarkan kecekapan lebih dari 80% dari ujung ke ujung, setara dengan sistem berwayar, dalam jarak impedans yang sangat luas.
Gegelung gandingan mesti dioptimumkan dengan menawarkan faktor gandingan tinggi (Q). Q gegelung pemancar harus cukup besar untuk mencapai faktor gandingan bersama yang tinggi untuk memindahkan lebih banyak daya ke sisi lain dinding dalam aplikasi FWA. Berdasarkan pengiraan dari GaN Systems, ukuran gegelung khas 200 × 200 mm cukup besar untuk memindahkan daya pada jarak 250 mm. Jurutera GaN Systems menggunakan topologi penguat Kelas EF2 dan gabungan padanan impedans jenis-T dan Pi-jenis.
Gambar 3: Sistem WPT Sistem GaN untuk aplikasi pengecasan unit luaran 5G FWA (Sumber: Sistem GaN)
Perkembangan baru
Pembuat cip mula menumpukan lebih banyak pembangunan teknologi semikonduktor kuasa GaN mereka untuk pasaran 5G. Satu contoh ialah GaN PA Mitsubishi Electric Corp modul, berukuran 6 × 10 mm, untuk stesen pangkalan 5G. Peranti ini memerlukan bilangan minimum komponen SMD, termasuk kapasitor dan induktor, dalam gandingan litar untuk mengawal output isyarat berkualiti tinggi. Transistor GaN bersepadu membantu meningkatkan kecekapan penguat kuasa.
Penggunaan peranti SMD untuk rangkaian gandingan dapat mengurangkan ukuran faktor bentuk tetapi juga dapat mengurangkan kecekapan tenaga, kerana peranti ini cenderung mengalami kehilangan daya yang tinggi. Teknologi baru Mitsubishi Electric, bagaimanapun, membuat rangkaian gandingan menggunakan bilangan SMD yang berkurang sambil menawarkan kecekapan kuasa yang lebih tinggi. SMD juga menawarkan ciri elektrik yang sama seperti saluran penghantaran kerajang logam.
Semikonduktor NXP baru-baru ini membuka fab baru di Arizona yang dikhaskan untuk pengeluaran transistor GaN untuk 5G PA. Peranti dihasilkan menggunakan SiC sebagai substrat, sehingga menghasilkan GaN-on-SiC. SiC terbukti sangat baik sebagai konduktor haba, yang sangat penting kerana 5G memerlukan kecekapan yang lebih baik dan menggerakkan hingga 64 elemen antena, dengan daya antara 5 W hingga 60 W atau 80 W.
GaN-on-SiC menggabungkan keupayaan tinggi-ketumpatan GaN dengan kekonduksian terma yang unggul dan kehilangan RF rendah SiC untuk aplikasi 5G. Kecekapan yang lebih tinggi juga bermaksud pengurangan ukuran dan berat badan, menjadikannya lebih mudah dan lebih murah untuk dipasang dan dikendalikan. Ini boleh membuat perbezaan pada rangkaian 5G swasta yang dipasang di kilang dan kemudahan lain.
Produk unggulan baru fab adalah penguat kuasa RF untuk infrastruktur radio 5G yang memerlukan penyelesaian antena MIMO dengan 32 atau 64 elemen dalam konfigurasi radar array fasa, bersama dengan penyelesaian antena berkuasa tinggi yang lebih tradisional.
mengenai Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Developpement