As qualidades impressionantes de semicondutores de gap largo (WBG), como nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC), os tornaram atraentes para vários mercados, incluindo veículos elétricos, inversores fotovoltaicos, carregadores rápidos e telecomunicações. GaN e SiC estão focados na energia necessária para deslocar elétrons nesses materiais da banda de valência para a banda de condução. Esta energia, ou bandgap, é 1.1 eV para o silício (Si), cerca de 3.2 eV para SiC e 3.4 eV para GaN. Essas propriedades levam a uma maior repartição aplicável Voltagem, que pode atingir até 1,700 V em algumas aplicações.
5G é a rede de última geração preparada para alimentar a Internet das coisas. As redes que executam 5G serão até 20 vezes mais rápidas do que a rede 4G existente, permitindo velocidades de download de vídeo até 10 vezes mais rápidas. Semicondutores de energia de alto desempenho como GaN e SiC estão desempenhando um papel fundamental em soluções de radiofrequência (RF) 5G, transferência de energia sem fio (WPT) e fontes de alimentação de estação base.
Para atender aos requisitos de energia nessas aplicações, os OEMs estão recorrendo ao GaN em particular. Um sistema de energia baseado em GaN pode oferecer uma boa opção para suportar as demandas rigorosas de transmissão de dados e requisitos de eficiência energética.
As estações base 5G precisam transmitir sinais em bandas de onda baixa, média e mmWave. À medida que as frequências aumentam, também aumenta a potência necessária para transmitir em distâncias úteis. Por causa de suas características de alta frequência, GaN oferece vantagens sobre outros processos para uso em amplificadores de potência de estação base 5G (PAs).
Figura 1: Comparando a potência e a frequência de diferentes materiais na faixa de microondas, que inclui mmWave (Fonte: Analog Devices Inc.)
Os requisitos rigorosos para 5G envolvem densificação em macroescala, com múltiplas estações base e densificação de energia no nível do dispositivo. Yole Développement prevê que o GaN penetrará significativamente em dois mercados com uma taxa composta de crescimento anual de 20% nas próximas décadas, nomeadamente para defesa e telecomunicações sem fios. GaN terá um papel fundamental em soluções sem fio de alto desempenho com seus níveis de eficiência de energia e desempenho de alta frequência.
Nitreto de gálio
Comparado com Si e arsenieto de gálio (GaAs) Semicondutores materiais, GaN e SiC são compostos de banda larga Semicondutor wafers, que possuem as características de alta intensidade de campo elétrico de ruptura, alta velocidade de deriva de elétrons saturados, alta condutividade térmica e baixa constante dielétrica. As características de baixa perda e alta frequência de comutação são adequadas para a fabricação de dispositivos eletrônicos de alta frequência, alta potência, pequeno volume (tamanho) e alta densidade.
O material GaN para fabricantes de semicondutores 5G é orientado para o campo de dispositivos e lasers de micro-ondas, alta frequência e baixa potência (menos de 1,000 V). Comparado com semicondutor de óxido metálico difundido lateralmente de Si (LDMOS) tecnologia e soluções GaAs, os dispositivos GaN podem fornecer mais potência e largura de banda.
Os semicondutores de potência GaN darão um salto na densidade e no empacotamento de potência a cada ano e podem ser mais bem adaptados à tecnologia MIMO massiva. GaN de alta mobilidade de elétrons Transistor (HEMT) a epitaxia semicondutora se tornou uma importante tecnologia para PAs usados em macro estações base 5G.
O mercado de dispositivos de potência de RF para estações base valia $ 1.1 bilhão em 2014, quando GaN representava 11% da participação e a da LDMOS era de 88%, de acordo com Yole Développement. Esta estimativa aumentou para uma participação de 25% em 2017 e tende a aumentar (Figura 2) Yole prevê que o mercado total de dispositivos RF GaN excederá US $ 2.4 bilhões até 2026, dominado por infraestrutura de telecomunicações 5G e aplicativos de defesa, representando 41% e 49% do mercado, respectivamente.
Figura 2: GaN está previsto para dominar o mercado de dispositivos de potência de RF até 2025. (Fonte: Yole Développement)
As soluções GaN-on-SiC são as principais candidatas para telecomunicações 5G, pois oferecem alta eficiência em uma configuração Doherty em frequências mais altas em uma largura de banda mais ampla do que os transistores Si LDMOS. GaN Transistor a tecnologia também pode ser bastante robusta, operando com graves incompatibilidades de carga em alta potência com degradação de desempenho mínima.
O espectro mmWave é crítico para a realização de 5G. Células pequenas podem ser colocadas próximas umas das outras em ambientes urbanos para links de linha de visada, mitigando as propriedades de propagação de perdas de sinais de alta frequência.
5G e gerenciamento de energia
Na fabricação de semicondutores, GaN é geralmente cultivado em alta temperatura (cerca de 1,100 ° C) por deposição de vapor químico orgânico de metal ou técnicas de epitaxia de feixe molecular em um substrato de SiC para aplicações de RF ou silício para aplicações de eletrônica de potência.
A combinação GaN-on-Si não tem um bom desempenho, pois exibe maiores perdas de RF, mas prova ser mais barata. O GaN-on-SiC, por outro lado, se destaca nas aplicações de RF por vários motivos: O material GaN oferece tensões muito maiores do que outros dispositivos semicondutores, como mencionado acima, e também garante altas taxas de saturação. Quando o GaN é combinado com uma grande capacidade de carga, isso se traduz em uma densidade de corrente muito maior para os dispositivos. O substrato de SiC tem uma condutividade térmica relativamente alta (~ 120 W / mK), então o calor pode ser removido mais facilmente do transistor para o dissipador de calor.
A qualidade da cobertura 5G depende de muitos elementos, incluindo o ambiente circundante. O sinal 5G pode ser interrompido por paredes, torres de água e outras barreiras à propagação de RF. A maturação da tecnologia 5G suportada por semicondutores WBG, IoT e carregamento sem fio trabalharão juntos para criar mais inovação tecnológica para a infraestrutura 5G.
As tecnologias WPT baseadas em ressonância magnética, como a tecnologia AirFuel, surgiram nos últimos anos com a força de sua alta frequência operacional (6.78 MHz) e capacidade de oferecer flexibilidade de localização, alcance estendido e recursos de carregamento de vários dispositivos. A tecnologia wireless é bem conhecida, mas o design dos transmissores, sua localização, maximizando a eficiência e validando o comportamento de todo o sistema representam grandes desafios que requerem o uso de soluções de engenharia complexas.
O advento das redes 5G verá o uso de frequências mmWave com grande largura de banda. Em aplicações de acesso fixo sem fio (FWA), a unidade de rede externa precisa de alimentação da linha de alimentação interna e dos adaptadores. Em vez de soluções com fio, um sistema WPT pode ser usado para transferência de energia para a unidade de rede externa e também para micro estações base 5G e dispositivos IoT, como câmeras IP e terminais de rede óptica (fibra para casa).
O sistema WPT convencional consiste em uma fonte de RF de corrente constante com um PA e bobinas que atuam como transmissor (Tx) e receptor (Rx) com características específicas. No lado do receptor, um retificador de ponte completa transforma a potência de RF acoplada em um sinal DC. Uma solução para PAs é fornecida por dispositivos de tecnologia GaN, que podem oferecer mais de 80% de eficiência ponta a ponta, a par dos sistemas com fio, em uma faixa de impedância muito ampla.
As bobinas de acoplamento devem ser otimizadas, oferecendo um alto fator de acoplamento (Q). O Q da bobina do transmissor deve ser grande o suficiente para atingir um alto fator de acoplamento mútuo para transferir mais energia para o outro lado da parede em aplicações FWA. Com base em cálculos da GaN Systems, um tamanho típico de bobina de 200 × 200 mm é grande o suficiente para transferir energia a uma distância de 250 mm. Os engenheiros da GaN Systems usaram uma topologia de amplificador Classe EF2 e uma combinação de combinação de impedância tipo T e tipo Pi.
Figura 3: Sistema WPT da GaN Systems para aplicações de carregamento de unidade externa 5G FWA (Fonte: GaN Systems)
Novos desenvolvimentos
Os fabricantes de chips estão começando a focar mais no desenvolvimento de sua tecnologia de semicondutores de potência GaN para o mercado 5G. Um exemplo é o GaN PA da Mitsubishi Electric Corp. módulo, medindo 6 × 10 mm, para estações base 5G. Este dispositivo requer um número mínimo de componentes SMD, incluindo capacitores e indutores, no acoplamento o circuito para controlar a saída do sinal de alta qualidade. Os transistores GaN integrados ajudam a aumentar a eficiência do amplificador de potência.
O uso de dispositivos SMD para o circuito de acoplamento pode reduzir o tamanho do fator de forma, mas também pode reduzir a eficiência energética, uma vez que esses dispositivos tendem a apresentar grande perda de potência. A nova tecnologia da Mitsubishi Electric, no entanto, cria um circuito de acoplamento usando um número reduzido de SMDs, oferecendo maior eficiência de energia. Os SMDs também oferecem as mesmas características elétricas das linhas de transmissão de folha metálica.
A NXP Semiconductors abriu recentemente uma nova fábrica no Arizona, dedicada à produção de transistores GaN para 5G PAs. Os dispositivos são produzidos usando SiC como substrato, criando assim GaN-on-SiC. O SiC mostra-se excelente como condutor de calor, o que é fundamental porque o 5G precisa de melhor eficiência e aciona até 64 elementos de antena, com potência variando de 5 W a 60 W ou 80 W.
O GaN-on-SiC combina os recursos de alta densidade de potência do GaN com a condutividade térmica superior e baixas perdas de RF do SiC para aplicações 5G. A maior eficiência também significa uma redução no tamanho e no peso, tornando-os mais fáceis e baratos de instalar e gerenciar. Isso pode fazer a diferença em redes 5G privadas instaladas em fábricas e outras instalações.
Os produtos carro-chefe da nova fab são amplificadores de potência de RF para a infraestrutura de rádio 5G que requer uma solução de antena MIMO com 32 ou 64 elementos em uma configuração de radar phased array, junto com soluções de antenas de alta potência mais tradicionais.
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