Galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) gibi geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenlerin etkileyici nitelikleri, onları elektrikli araçlar, PV invertörler, hızlı şarj cihazları ve telekomünikasyon dahil olmak üzere çeşitli pazarlar için çekici hale getirdi. GaN ve SiC, bu malzemelerdeki elektronları değerlik bandından iletim bandına kaydırmak için gereken enerjiye odaklanır. Bu enerji veya bant aralığı silikon (Si) için 1.1 eV, SiC için yaklaşık 3.2 eV ve GaN için 3.4 eV'dir. Bu özellikler daha yüksek uygulanabilir bir arızaya yol açar VoltajBazı uygulamalarda 1,700 V'a kadar çıkabilmektedir.
5G, nesnelerin internetine güç sağlamaya hazır en yeni nesil ağdır. 5G çalıştıran ağlar, mevcut 20G ağından 4 kata kadar daha hızlı olacak ve video indirme hızları 10 kata kadar daha yüksek olacak. GaN ve SiC gibi yüksek performanslı güç yarı iletkenleri, 5G radyo frekansı (RF) çözümlerinde, kablosuz güç aktarımında (WPT) ve baz istasyonu güç kaynaklarında önemli bir rol oynuyor.
Bu uygulamalardaki güç gereksinimlerini karşılamak için OEM'ler özellikle GaN'a yöneliyor. GaN tabanlı bir güç sistemi, veri iletiminin ve enerji verimliliği gereksinimlerinin katı taleplerini desteklemek için iyi bir seçenek sunabilir.
5G baz istasyonlarının sinyalleri düşük, orta ve mmWave bantlarında iletmesi gerekiyor. Frekanslar arttıkça, faydalı mesafelere iletim yapmak için gereken güç de artar. Yüksek frekans özellikleri nedeniyle GaN, 5G baz istasyonu güç amplifikatörlerinde (PA'lar) kullanım için diğer işlemlere göre avantajlar sunar.
Şekil 1: MmWave'i de içeren mikrodalga aralığındaki farklı malzemelerin güç ve frekanslarının karşılaştırılması (Kaynak: Analog Devices Inc.)
5G'nin katı gereklilikleri, birden fazla baz istasyonu ve cihaz düzeyinde güç yoğunlaştırması ile makro ölçekte yoğunlaştırmayı içeriyor. Yole Développement, GaN'ın önümüzdeki on yılda savunma ve kablosuz telekomünikasyon olmak üzere yıllık %20'lik bileşik büyüme oranıyla iki pazara önemli ölçüde nüfuz edeceğini öngörüyor. GaN, güç verimliliği seviyeleri ve yüksek frekans performansıyla yüksek performanslı kablosuz çözümlerde kilit rol oynayacak.
Galyum nitrür
Si ve galyum arsenit (GaAs) ile karşılaştırıldığında Yarıiletken malzemeler, GaN ve SiC'nin her ikisi de geniş bantlı bileşiktir yarıiletken yüksek arıza elektrik alanı kuvveti, yüksek doymuş elektron sürüklenme hızı, yüksek termal iletkenlik ve düşük dielektrik sabiti özelliklerine sahip levhalar. Düşük kayıp ve yüksek anahtarlama frekansı özellikleri, yüksek frekanslı, yüksek güçlü, küçük hacimli (boyutlu) ve yüksek yoğunluklu elektronik cihazların üretimi için uygundur.
5G yarı iletken üreticileri için GaN malzemesi, mikrodalga, yüksek frekanslı ve düşük güçlü (1,000 V'den az) cihazlar ve lazerler alanına yöneliktir. Si yanal olarak dağılmış metal oksit yarı iletken (LDMOS) ile karşılaştırıldığında teknoloji ve GaAs çözümleri sayesinde GaN cihazları daha fazla güç ve bant genişliği sağlayabilir.
GaN güç yarı iletkenleri, güç yoğunluğunda ve paketlemede her yıl bir sıçrama yapacak ve devasa MIMO teknolojisine daha iyi uyarlanabilecek. GaN yüksek elektron hareketliliği Transistor (HEMT) yarı iletken epitaksi, 5G makro baz istasyonlarında kullanılan PA'lar için önemli bir teknoloji haline geldi.
Yole Développement'e göre, baz istasyonları için RF güç cihazları pazarı 1.1 yılında 2014 milyar dolar değerindeydi; GaN'nin payı %11, LDMOS'un payı ise %88'di.. Bu tahmin 25 yılına kadar %2017'lik bir paya yükseldi ve yükseliş eğilimi gösteriyor (Şekil 2). Yole, pazarın sırasıyla %2.4 ve %2026'unu temsil eden 5G telekom altyapısı ve savunma uygulamalarının hakim olduğu toplam GaN RF cihazı pazarının 41 yılına kadar 49 milyar doları aşacağını tahmin ediyor.
Şekil 2: GaN'ın 2025 yılına kadar RF güç cihazı pazarına hakim olacağı tahmin ediliyor. (Kaynak: Yole Développement)
GaN-on-SiC çözümleri, Doherty konfigürasyonunda Si LDMOS transistörlerinden daha geniş bir bant genişliği üzerinden daha yüksek frekanslarda yüksek verimlilik sunduklarından 5G telekomünikasyon için önemli bir adaydır. GaN Transistor teknoloji aynı zamanda oldukça sağlam olabilir, minimum performans kaybıyla yüksek güçte ciddi yük uyumsuzluklarıyla çalışabilir.
MmWave spektrumu 5G'nin gerçekleştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Küçük hücreler, görüş hattı bağlantıları için kentsel ortamlarda birbirine yakın yerleştirilebilir ve yüksek frekanslı sinyallerin kayıplı yayılma özelliklerini azaltır.
5G ve güç yönetimi
Yarı iletken üretiminde, GaN genellikle yüksek sıcaklıkta (yaklaşık 1,100°C), RF uygulamaları için bir SiC substratı üzerinde metal organik kimyasal buhar biriktirme veya moleküler ışın epitaksi teknikleriyle veya güç elektroniği uygulamaları için silikonla büyütülür.
GaN-on-Si kombinasyonu, daha yüksek RF kayıpları sergilediği için iyi performans göstermez, ancak daha ucuz olduğu kanıtlanmıştır. GaN-on-SiC ise RF uygulamalarında birkaç nedenden dolayı öne çıkıyor: GaN malzemesi yukarıda da belirtildiği gibi diğer yarı iletken cihazlara göre çok daha yüksek voltajlar sunuyor ve aynı zamanda yüksek doygunluk oranlarını da garanti ediyor. GaN büyük bir şarj kapasitesiyle birleştirildiğinde bu, cihazlar için çok daha yüksek akım yoğunluğu anlamına gelir. SiC substratı nispeten yüksek bir termal iletkenliğe (~120 W/mK) sahiptir, bu nedenle ısı, transistörden soğutucuya daha kolay bir şekilde aktarılabilir.
5G kapsama alanının kalitesi, çevredeki ortam da dahil olmak üzere birçok unsura bağlıdır. 5G sinyali duvarlar, su kuleleri ve RF yayılımını engelleyen diğer engeller tarafından kesilebilir. WBG yarı iletkenleri, IoT ve kablosuz şarj tarafından desteklenen 5G teknolojisinin olgunlaşması, 5G altyapısı için daha fazla teknolojik yenilik yaratmak üzere birlikte çalışacak.
AirFuel teknolojisi gibi manyetik rezonans tabanlı WPT teknolojileri, son yıllarda yüksek çalışma frekanslarının (6.78 MHz) gücü ve konum esnekliği, genişletilmiş menzil ve çoklu cihaz şarj yetenekleri sunma yetenekleri sayesinde ortaya çıkmıştır. Kablosuz teknoloji iyi bilinmektedir, ancak vericilerin tasarımı, konumları, verimliliğin en üst düzeye çıkarılması ve tüm sistemin davranışının doğrulanması, karmaşık mühendislik çözümlerinin kullanılmasını gerektiren büyük zorlukları temsil etmektedir.
5G ağlarının ortaya çıkışı, geniş bant genişliğine sahip mmWave frekanslarının kullanımını görecek. Sabit kablosuz erişim (FWA) uygulamalarında, harici ağ ünitesinin dahili güç hattından ve adaptörlerden güce ihtiyacı vardır. Kablolu çözümler yerine WPT sistemi, harici ağ ünitesi için güç aktarımı için kullanılabileceği gibi, 5G mikro baz istasyonları ve IP kameralar ve optik ağ terminalleri (fiberden eve) gibi IoT cihazları için de kullanılabilir.
Geleneksel WPT sistemi, bir PA'ya sahip sabit akımlı bir RF kaynağından ve belirli özelliklere sahip bir verici (Tx) ve alıcı (Rx) görevi gören bobinlerden oluşur. Alıcı tarafında, tam köprü doğrultucu, bağlı RF gücünü bir DC sinyaline dönüştürür. PA'lara yönelik bir çözüm, çok geniş bir empedans aralığında, kablolu sistemlerle aynı seviyede uçtan uca %80'den fazla verimlilik sunabilen GaN teknolojisine sahip cihazlar tarafından sağlanmaktadır.
Kaplin bobinleri, yüksek bir kaplin faktörü (Q) sunarak optimize edilmelidir. Verici bobinin Q'su, FWA uygulamalarında duvarın diğer tarafına daha fazla güç aktarmak için yüksek bir karşılıklı bağlantı faktörü elde edecek kadar büyük olmalıdır. GaN Systems'den yapılan hesaplamalara göre, 200 × 200 mm'lik tipik bir bobin boyutu, gücü 250 mm mesafeden aktaracak kadar büyüktür. GaN Systems mühendisleri, Sınıf EF2 amplifikatör topolojisi ve T tipi artı Pi tipi empedans eşleştirmesinin bir kombinasyonunu kullandı.
Şekil 3: 5G FWA dış ünite şarj uygulamaları için GaN Systems'in WPT sistemi (Kaynak: GaN Systems)
Yeni gelişmeler
Çip üreticileri, 5G pazarına yönelik GaN güç yarı iletken teknolojisi geliştirmelerine daha fazla odaklanmaya başlıyor. Bunun bir örneği Mitsubishi Electric Corp.'un GaN PA'sıdır. modül6G baz istasyonları için 10 × 5 mm ölçülerinde. Bu cihaz, kaplinde kapasitörler ve indüktörler dahil olmak üzere minimum sayıda SMD bileşeni gerektirir devre Yüksek kaliteli sinyal çıkışını kontrol etmek için. Entegre GaN transistörleri güç amplifikatörünün verimliliğinin artırılmasına yardımcı olur.
Bağlantı devresi için SMD cihazlarının kullanılması form faktörünün boyutunu azaltabilir ancak bu cihazlar yüksek güç kaybına neden olduğundan enerji verimliliğini de azaltabilir. Ancak Mitsubishi Electric'in yeni teknolojisi, daha az sayıda SMD kullanarak bir bağlantı devresi oluştururken daha yüksek güç verimliliği sunuyor. SMD'ler ayrıca metal folyo iletim hatlarıyla aynı elektriksel özellikleri sunar.
NXP Semiconductors yakın zamanda Arizona'da 5G PA'lar için GaN transistörlerinin üretimine adanmış yeni bir fabrika açtı. Cihazlar alt tabaka olarak SiC kullanılarak üretilir, böylece SiC üzerinde GaN oluşturulur. SiC, bir ısı iletkeni olarak mükemmel olduğunu kanıtlıyor; bu çok önemli çünkü 5G daha iyi verime ihtiyaç duyuyor ve gücü 64 W ila 5 W veya 60 W arasında değişen 80 adede kadar anten elemanını çalıştırıyor.
GaN-on-SiC, GaN'ın yüksek güç yoğunluğu yeteneklerini, 5G uygulamaları için SiC'nin üstün termal iletkenliği ve düşük RF kayıpları ile birleştirir. Daha yüksek verimlilik aynı zamanda boyut ve ağırlıkta azalma anlamına gelir, bu da bunların kurulumu ve yönetimini daha kolay ve daha ucuz hale getirir. Bu, fabrikalarda ve diğer tesislerde kurulu özel 5G ağlarında fark yaratabilir.
Yeni fabrikanın amiral gemisi ürünleri, daha geleneksel yüksek güçlü anten çözümlerinin yanı sıra, aşamalı dizi radar konfigürasyonunda 5 veya 32 öğeli bir MIMO anten çözümü gerektiren 64G radyo altyapısına yönelik RF güç amplifikatörleridir.
Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Geliştirme Hakkında