คุณสมบัติที่น่าประทับใจของเซมิคอนดักเตอร์แบบ Wide-bandgap (WBG) เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ทำให้พวกเขาเป็นที่สนใจในตลาดต่างๆ รวมถึงยานยนต์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์ PV เครื่องชาร์จเร็ว และโทรคมนาคม GaN และ SiC มุ่งเน้นไปที่พลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนอิเล็กตรอนในวัสดุเหล่านี้จากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า พลังงานนี้หรือ bandgap คือ 1.1 eV สำหรับซิลิคอน (Si) ประมาณ 3.2 eV สำหรับ SiC และ 3.4 eV สำหรับ GaN คุณสมบัติเหล่านั้นนำไปสู่การแยกย่อยที่เกี่ยวข้องที่สูงขึ้น แรงดันไฟฟ้าซึ่งสามารถเข้าถึงได้ถึง 1,700 V ในบางแอพพลิเคชั่น
5G เป็นเครือข่ายรุ่นล่าสุดที่พร้อมจะขับเคลื่อนอินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ เครือข่ายที่ใช้ 5G จะเร็วกว่าเครือข่าย 20G ที่มีอยู่ถึง 4 เท่า ทำให้ดาวน์โหลดวิดีโอได้เร็วกว่าถึง 10 เท่า เซมิคอนดักเตอร์กำลังประสิทธิภาพสูง เช่น GaN และ SiC มีบทบาทสำคัญในโซลูชันความถี่วิทยุ 5G, การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย (WPT) และอุปกรณ์จ่ายไฟของสถานีฐาน
เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านพลังงานในแอปพลิเคชันเหล่านี้ OEM จึงหันมาใช้ GaN โดยเฉพาะ ระบบไฟฟ้าแบบ GaN สามารถเสนอทางเลือกที่ดีเพื่อรองรับความต้องการที่เข้มงวดของการส่งข้อมูลและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพพลังงาน
สถานีฐาน 5G จำเป็นต้องส่งสัญญาณในย่านความถี่ต่ำ ปานกลาง และ mmWave เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น กำลังที่จำเป็นในการส่งผ่านระยะทางที่เป็นประโยชน์ก็เช่นกัน เนื่องจากคุณลักษณะความถี่สูง GaN จึงมีข้อได้เปรียบเหนือกระบวนการอื่นๆ สำหรับใช้ในเครื่องขยายกำลังสถานีฐาน 5G (PA)
รูปที่ 1: เปรียบเทียบกำลังและความถี่ของวัสดุต่างๆ ในช่วงไมโครเวฟ ซึ่งรวมถึง mmWave (ที่มา: Analog Devices Inc.)
ข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับ 5G เกี่ยวข้องกับการทำให้หนาแน่นในระดับมหภาค โดยมีสถานีฐานหลายสถานีและการเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่ระดับอุปกรณ์ Yole Développement คาดการณ์ว่า GaN จะเจาะตลาดสองแห่งอย่างมีนัยสำคัญด้วยอัตราการเติบโตต่อปีที่ 20% ในทศวรรษหน้า ซึ่งได้แก่ การป้องกันประเทศและโทรคมนาคมไร้สาย GaN จะมีบทบาทสำคัญในโซลูชั่นไร้สายประสิทธิภาพสูงด้วยระดับประสิทธิภาพการใช้พลังงานและประสิทธิภาพความถี่สูง
แกลเลียมไนไตรด์
เปรียบเทียบกับ Si และ gallium arsenide (GaAs) สารกึ่งตัวนำ วัสดุ GaN และ SiC เป็นทั้งสารประกอบบรอดแบนด์ สารกึ่งตัวนำ เวเฟอร์ซึ่งมีคุณลักษณะของความแรงของสนามไฟฟ้าที่มีการพังทลายสูง ความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง ค่าการนำความร้อนสูง และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ คุณลักษณะความถี่สูญเสียต่ำและการสลับความถี่สูงเหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง กำลังสูง ปริมาณน้อย (ขนาด) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูง
วัสดุ GaN สำหรับผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ 5G มุ่งเน้นไปที่อุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์ความถี่สูงและพลังงานต่ำ (น้อยกว่า 1,000 V) และเลเซอร์ เมื่อเปรียบเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์แบบกระจายด้านข้าง Si (LDMOS) เทคโนโลยี และโซลูชัน GaAs อุปกรณ์ GaN สามารถให้พลังงานและแบนด์วิธได้มากขึ้น
สารกึ่งตัวนำไฟฟ้า GaN จะทำให้ความหนาแน่นของพลังงานและบรรจุภัณฑ์เพิ่มขึ้นทุกปี และสามารถปรับให้เข้ากับเทคโนโลยี MIMO ขนาดใหญ่ได้ดีขึ้น GaN อิเลคตรอนสูง - ความคล่องตัว ทรานซิสเตอร์ (HEMT) สารกึ่งตัวนำ epitaxy ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับ PA ที่ใช้ในสถานีฐานมาโคร 5G
ตลาดอุปกรณ์ไฟฟ้า RF สำหรับสถานีฐานมีมูลค่า 1.1 พันล้านดอลลาร์ในปี 2014 เมื่อ GaN มีส่วนแบ่ง 11% และส่วนแบ่งของ LDMOS อยู่ที่ 88% ตามข้อมูลของ Yole Développement. การประมาณการนี้เพิ่มขึ้นเป็นส่วนแบ่ง 25% ภายในปี 2017 และมีแนวโน้มสูงขึ้น (รูป 2). Yole คาดการณ์ว่าตลาดอุปกรณ์ GaN RF ทั้งหมดจะเกิน 2.4 พันล้านดอลลาร์ในปี 2026 ซึ่งถูกครอบงำโดยโครงสร้างพื้นฐานด้านโทรคมนาคม 5G และแอปพลิเคชั่นการป้องกัน ซึ่งคิดเป็น 41% และ 49% ของตลาดตามลำดับ
รูปที่ 2: GaN คาดว่าจะครองตลาดอุปกรณ์พลังงาน RF ภายในปี 2025 (ที่มา: Yole Développement)
โซลูชัน GaN-on-SiC เป็นตัวเลือกหลักสำหรับโทรคมนาคม 5G เนื่องจากให้ประสิทธิภาพสูงในการกำหนดค่า Doherty ที่ความถี่สูงกว่าบนแบนด์วิดท์ที่กว้างกว่าทรานซิสเตอร์ Si LDMOS กาน ทรานซิสเตอร์ เทคโนโลยียังค่อนข้างแข็งแกร่ง โดยทำงานด้วยโหลดที่ไม่ตรงกันอย่างรุนแรงที่พลังงานสูงโดยลดประสิทธิภาพลงน้อยที่สุด
สเปกตรัม mmWave มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้าง 5G สามารถวางเซลล์ขนาดเล็กไว้ใกล้กันในสภาพแวดล้อมในเมืองสำหรับการเชื่อมโยงสายตา ช่วยลดคุณสมบัติการแพร่กระจายที่สูญเสียไปของสัญญาณความถี่สูง
5G และการจัดการพลังงาน
ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ GaN มักจะเติบโตที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1,100 ° C) โดยการสะสมไอเคมีอินทรีย์ของโลหะหรือเทคนิค epitaxy ของลำแสงโมเลกุลบนสารตั้งต้น SiC สำหรับการใช้งาน RF หรือซิลิกอนสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลัง
ชุดค่าผสม GaN-on-Si ทำงานได้ไม่ดี เนื่องจากมีการสูญเสีย RF ที่สูงกว่า แต่พิสูจน์ได้ว่ามีราคาถูกกว่า ในทางกลับกัน GaN-on-SiC มีความโดดเด่นในการใช้งาน RF ด้วยเหตุผลหลายประการ: วัสดุ GaN มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น และยังรับประกันอัตราความอิ่มตัวสูง เมื่อรวม GaN เข้ากับความจุในการชาร์จขนาดใหญ่ สิ่งนี้จะแปลเป็นความหนาแน่นกระแสไฟที่สูงขึ้นมากสำหรับอุปกรณ์ พื้นผิว SiC มีการนำความร้อนค่อนข้างสูง (~120 W/mK) จึงสามารถถอดความร้อนออกจากทรานซิสเตอร์ไปยังแผงระบายความร้อนได้ง่ายขึ้น
คุณภาพของการครอบคลุม 5G ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่าง รวมถึงสภาพแวดล้อมโดยรอบ สัญญาณ 5G สามารถถูกขัดจังหวะด้วยกำแพง หอเก็บน้ำ และสิ่งกีดขวางอื่นๆ ในการแพร่กระจายคลื่นความถี่วิทยุ การเติบโตของเทคโนโลยี 5G ที่ได้รับการสนับสนุนจากเซมิคอนดักเตอร์ WBG, IoT และการชาร์จแบบไร้สายจะทำงานร่วมกันเพื่อสร้างนวัตกรรมทางเทคโนโลยีเพิ่มเติมสำหรับโครงสร้างพื้นฐาน 5G
เทคโนโลยี WPT ที่อิงด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก เช่น เทคโนโลยีของ AirFuel ได้เกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจากความแข็งแกร่งของความถี่การทำงานที่สูง (6.78 MHz) และความสามารถในการให้ตำแหน่งที่ยืดหยุ่น ช่วงขยาย และความสามารถในการชาร์จแบบหลายอุปกรณ์ เทคโนโลยีไร้สายเป็นที่รู้จักกันดี แต่การออกแบบเครื่องส่งสัญญาณ ตำแหน่ง การเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด และการตรวจสอบพฤติกรรมของระบบทั้งหมดแสดงถึงความท้าทายครั้งใหญ่ที่ต้องใช้โซลูชันทางวิศวกรรมที่ซับซ้อน
การกำเนิดของเครือข่าย 5G จะเห็นการใช้ความถี่ mmWave ที่มีแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ ในแอปพลิเคชันการเข้าถึงแบบไร้สายคงที่ (FWA) หน่วยเครือข่ายภายนอกต้องการพลังงานจากสายไฟภายในและอะแดปเตอร์ แทนที่จะใช้โซลูชันแบบมีสาย ระบบ WPT สามารถใช้สำหรับการถ่ายโอนพลังงานสำหรับหน่วยเครือข่ายภายนอก และยังใช้สำหรับสถานีฐานขนาดเล็ก 5G และอุปกรณ์ IoT เช่น กล้อง IP และเทอร์มินัลเครือข่ายออปติคัล (ไฟเบอร์ถึงบ้าน)
ระบบ WPT ทั่วไปประกอบด้วยแหล่ง RF แบบกระแสคงที่พร้อม PA และคอยล์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวส่ง (Tx) และตัวรับ (Rx) ที่มีคุณสมบัติเฉพาะ ด้านเครื่องรับ วงจรเรียงกระแสแบบฟูลบริดจ์จะแปลงพลังงาน RF ที่จับคู่เป็นสัญญาณ DC โซลูชันสำหรับ PA นั้นมาจากอุปกรณ์เทคโนโลยี GaN ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพแบบ end-to-end ได้มากกว่า 80% เทียบเท่ากับระบบแบบมีสายในช่วงอิมพีแดนซ์ที่กว้างมาก
คอยล์คลัปต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยเสนอปัจจัยการมีเพศสัมพันธ์ (Q) สูง Q ของคอยล์ตัวส่งสัญญาณควรมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้เกิดค่า coupling factor ร่วมกันในระดับสูงเพื่อถ่ายโอนพลังงานไปยังอีกด้านหนึ่งของผนังในการใช้งาน FWA จากการคำนวณจาก GaN Systems ขนาดคอยล์ทั่วไป 200 × 200 มม. มีขนาดใหญ่พอที่จะถ่ายโอนพลังงานที่ระยะ 250 มม. วิศวกรของ GaN Systems ใช้โทโพโลยีแอมพลิฟายเออร์ Class EF2 และการจับคู่อิมพีแดนซ์ T-type บวก Pi-type
รูปที่ 3: ระบบ WPT ของ GaN Systems สำหรับแอปพลิเคชันการชาร์จยูนิตภายนอกอาคาร 5G FWA (ที่มา: ระบบ GaN)
การพัฒนาใหม่
ผู้ผลิตชิปเริ่มให้ความสำคัญกับการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์พลังงาน GaN สำหรับตลาด 5G มากขึ้น ตัวอย่างหนึ่งคือ GaN PA ของ Mitsubishi Electric Corp โมดูลขนาด 6 × 10 มม. สำหรับสถานีฐาน 5G อุปกรณ์นี้ต้องการจำนวนส่วนประกอบ SMD ขั้นต่ำ รวมถึงตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในคัปปลิ้ง วงจรไฟฟ้า เพื่อควบคุมเอาต์พุตสัญญาณคุณภาพสูง ทรานซิสเตอร์ GaN ในตัวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเพาเวอร์แอมป์
การใช้อุปกรณ์ SMD สำหรับวงจรคัปปลิ้งสามารถลดขนาดของฟอร์มแฟคเตอร์ได้ แต่ก็สามารถลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้เช่นกัน เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้มักมีการสูญเสียพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีใหม่ของ Mitsubishi Electric สร้างวงจรคัปปลิ้งโดยใช้จำนวน SMD ที่ลดลง ในขณะที่ให้ประสิทธิภาพพลังงานที่สูงขึ้น SMD ยังมีลักษณะทางไฟฟ้าเช่นเดียวกับสายส่งฟอยล์โลหะ
เมื่อเร็วๆ นี้ NXP Semiconductors ได้เปิดโรงงานแห่งใหม่ในรัฐแอริโซนาซึ่งอุทิศให้กับการผลิตทรานซิสเตอร์ GaN สำหรับ 5G PA อุปกรณ์เหล่านี้ผลิตขึ้นโดยใช้ SiC เป็นสารตั้งต้น จึงสร้าง GaN-on-SiC SiC ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าดีเยี่ยมในฐานะตัวนำความร้อน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจาก 5G ต้องการประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและขับเคลื่อนองค์ประกอบเสาอากาศได้ถึง 64 ชิ้น โดยมีกำลังตั้งแต่ 5 W ถึง 60 W หรือ 80 W
GaN-on-SiC รวมความสามารถความหนาแน่นกำลังสูงของ GaN เข้ากับการนำความร้อนที่เหนือกว่าและการสูญเสีย RF ต่ำของ SiC สำหรับการใช้งาน 5G ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นยังหมายถึงการลดขนาดและน้ำหนัก ทำให้ติดตั้งและจัดการได้ง่ายขึ้นและราคาถูกลง สิ่งนี้สามารถสร้างความแตกต่างบนเครือข่าย 5G ส่วนตัวที่ติดตั้งในโรงงานและสิ่งอำนวยความสะดวกอื่น ๆ
ผลิตภัณฑ์เรือธงของ Fab ใหม่ ได้แก่ เครื่องขยายสัญญาณ RF สำหรับโครงสร้างพื้นฐานวิทยุ 5G ที่ต้องใช้โซลูชันเสาอากาศ MIMO ที่มีส่วนประกอบ 32 หรือ 64 ตัวในการกำหนดค่าเรดาร์แบบแบ่งเฟส ร่วมกับโซลูชันเสาอากาศกำลังสูงแบบเดิม
เกี่ยวกับ Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Developpement