CPU, GPU a nyní i čipy s umělou inteligencí

Tento článek vyšel v časopise Microwaves & RF a byl zde publikován se svolením.

Členové si mohou tento článek stáhnout ve formátu PDF.

Co se dozvíte:

• Jaké různé materiály se používají při výrobě výkonových tranzistorů GaN?
• Vliv tepla na výkon.
• Přehled vysokofrekvenčních tranzistorů GaN s vysokým výkonem, které jsou v současné době na trhu.

Výkon v pevné fázi má mnoho podob, i když nejrychleji se rozvíjející vysokofrekvenční a výkonná polovodičová technologie může být založena na nitridu galia (GaN). Výkonové tranzistory GaN jsou již dlouho základními stavebními kameny aktivních zařízení pro lineární a komprimované výkonové zesilovače ve vojenských radarových systémech v pásmech L a S.

V závislosti na konstrukčních potřebách jsou výkonové tranzistory GaN k dispozici od mnoha dodavatelů pro různé aplikace v obvodech a systémech pro avioniku, komerční, průmyslové, lékařské a vojenské použití. Všechny využívají schopností polovodičových materiálů GaN se širokým pásmem k vytvoření VF/mikrovlnných tranzistorů s vysokou hustotou výkonu a vysokou úrovní výstupního výkonu v malých baleních.

Některé výkonové tranzistory GaN jsou k dispozici jako holé die, zatímco mnohé jsou dodávány v robustních baleních, která mají vnitřní impedanční přizpůsobení pro optimalizaci výstupního výkonu pro určitý frekvenční rozsah. Frekvenční pokrytí tranzistorů GaN se blíží frekvencím milimetrových vln (mmWave) při nižších úrovních výstupního výkonu; nejvyšší úrovně výstupního výkonu jsou stále pro pulzní signály typicky na frekvencích L a S pásma.

Na materiálech záleží

Diskrétní výkonové tranzistory GaN se liší tvarem a funkcí, a to i v materiálech podporujících základ polovodičového materiálu GaN. Širokopásmové materiály GaN podporují různé tranzistorové struktury, jako jsou struktury tranzistoru s polním efektem (FET), heteropřechodového bipolárního tranzistoru (HBT) a tranzistoru s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT).

Vzhledem k vysokému tepelnému odporu a omezeným možnostem rozptylu výkonu materiálu GaN se však polovodiče GaN vyrábějí na substrátech s nižším tepelným odporem, včetně GaN na křemíku (Si), karbidu křemíku (SiC) a dokonce na syntetickém diamantu. Použití diamantových materiálů s nejnižším tepelným odporem ze všech tří substrátů je motivováno financováním výzkumu agenturou DARPA a jejím programem Near Junction Thermal Transport (NJTT), který probíhá s několika partnery již více než deset let.

Ačkoli má syntetický diamant extrémně nízký tepelný odpor, který pomáhá odvádět teplo z oblastí přechodů GaN polovodičů, stále není praktickou možností substrátu pro spotřebitelské/komerční aplikace GaN zařízení nebo dokonce pro vojenské/kosmické aplikace. Tepelné vlastnosti těchto tří substrátových materiálů se značně liší, přičemž Si poskytuje nejmenší odvod tepla za nejnižší cenu a syntetický diamant nejlepší odvod tepla za nejvyšší cenu. SiC představuje praktický kompromis mezi náklady a tepelným výkonem a je často používaným substrátem pro výkonnější diskrétní tranzistory GaN, zejména ty, které jsou určeny pro kritické aplikace.

Jak již bylo zmíněno, diskrétní výkonové tranzistory GaN jsou k dispozici jako polovodičové die a v různých typech obalů, některé s přizpůsobením vstupní a vstupní/výstupní impedance na 50 Ω pro zjednodušení přidávání do VF/mikrovlnných obvodů. Zařízení GaN se stále častěji používají na nižších frekvencích jako aktivní zařízení ve vysokonapěťových napájecích zdrojích a měničích a v aplikacích pro nabíjení baterií.

Diskrétní zařízení ve formě die zvládnou široké pásmo, které téměř sahá od stejnosměrného proudu až po 18 GHz, zatímco die i balené součástky jsou k dispozici od frekvencí blízkých stejnosměrnému proudu až po mm vlny, i když s nižší úrovní výstupního výkonu při rostoucích frekvencích. GaN se stal dobře přijímanou technologií výkonového zesílení v mnoha pulzních radarových aplikacích, zejména pro výkonové zesilovače (PA) na frekvencích C, L a S pásma. Tato technologie je schopna dosáhnout vysokého zesílení s malým poklesem amplitudy pulzu v závislosti na frekvenci. Poskytuje také extrémně vysokou účinnost odběru nebo účinnost přidaného výkonu (PAE), ať už v čipové nebo balené formě.

Jak velký VF/mikrovlnný výstupní výkon lze očekávat od jediného GaN tranzistoru? Praktické PA pro radarové a telekomunikační zesilovače obvykle kombinují více aktivních zařízení v řídicím a výstupním stupni, aby bylo dosaženo požadovaného špičkového/impulzního nebo kontinuálního (CW) výstupního výkonu pro návrhovou frekvenci a šířku pásma. Jediný tranzistor pro radarový zesilovač nestačí. Jakmile však budou k dispozici diskrétní tranzistory s vyšším výkonem, bude pro cílový výstupní výkon potřeba méně aktivních zařízení.

Problémy s teplem

Teplo je obvykle limitujícím faktorem výkonu poskytovaného jedním tranzistorem. Protože polovodičové přechody tranzistoru GaN generují teplo, zejména při vyšších výkonových úrovních, je třeba toto teplo řídit, aby byla zajištěna dlouhá provozní životnost tranzistoru.

Množství tepla generovaného tranzistorem GaN (nebo jakýmkoli jiným) bude určeno tím, jak efektivně bude využívat své napájení. Účinností drain tranzistoru se rozumí množství nebo procento stejnosměrného výkonu dodávaného na vstup (drain) tranzistoru, které je k dispozici jako výkon VF signálu na jeho výstupu. Konstruktéři zesilovačů a další uživatelé tranzistorů se mohou odvolávat na PAE, která zohledňuje zisk tranzistoru a to, jak dobře obvody zesilovače využívají přivedený výkon.

Pokud by byla možná 100% účinnost, mohl by tranzistor zvyšovat úroveň výkonu vstupního signálu jako funkci zisku zařízení, aniž by odváděl teplo. Účinnost odvodu však nikdy není 100% a část vstupního výkonu a energie předpětí se ztratí jako teplo. Nejvyšší účinnost vede k nejmenšímu množství tepla, které musí být odvedeno pro bezpečný a dlouhodobý provoz zařízení.

Ačkoli se některé komerční GaN tranzistory vyznačují dobrou účinností drain 65 % a vyšší, aplikovaná energie se ztrácí jako teplo; pro optimální životnost a výkon tranzistoru je tedy nutné teplo odvádět. Obaly s nízkým tepelným odporem mohou pomoci odvádět teplo z přechodů tranzistoru.

Výstupní výkon dostupný z jednoho tranzistoru GaN bude záviset na napájecím napětí (typicky +28, +40 nebo +50 V DC), velikosti a tvaru pouzdra a v případě nebalených tranzistorů na tom, jak dobře jsou tepelně řízeny v aplikačním obvodu. Někteří dodavatelé tranzistorů GaN nabízejí polovodiče ze stejného procesu (např. pro stejnosměrné napájení +28 V) ve dvou různých obalech, typicky v robustních kovokeramických obalech s přírubou a v menších kovokeramických obalech typu „bolt-down“. Základním kompromisem je poměr výkonu a velikosti, přičemž tranzistor ve větším balení je schopen dodávat větší výstupní výkon díky tomu, že tepelné přechody tranzistoru jsou obklopeny větším množstvím materiálu odvádějícího teplo.

Hledáme zdroj

Mezi dodavatele vysoce výkonných diskrétních VF GaN tranzistorů, které mohou napájet pulzní radarové systémy, patří společnosti BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP a Qorvo. Většina těchto diskrétních zařízení je určena pro použití při jednom ze tří napájecích napětí (napětí mezi odtokem a zdrojem zařízení): +28, +40 a +50 V DC.

BeRex například nabízí tři výkonové HEMT GaN-on-SiC ve své řadě BCGxxx ve formě die pro použití s napájením +28 V ss. Jedná se o širokopásmová zařízení s celkovým frekvenčním pokrytím DC až 26 GHz, která lze impedančně přizpůsobit v rámci zesilovacích obvodů pro aplikace na frekvencích C, X, Ku a K pásma. Tři tranzistory, modely BCG002, BCG004 a BCG008, poskytují nasycené výstupní výkony 2, 4 a 8 W při testovací frekvenci 12 GHz, se ziskem lepším než 8 dB a PAE 72 %.

Většina dodavatelů GaN diskrétních tranzistorů dodává svá zařízení ve výkonových obalech, které jsou impedančně přizpůsobeny pro vysoký zisk v určitém frekvenčním rozsahu. Pro větší pohodlí někteří dokonce umísťují stejný polovodič GaN do více formátů balení. Například vysoce výkonný GaN-on-SiC HEMT od společnosti Integra Technologies, který poskytuje špičkový výstupní výkon 500 W při frekvenci 2,856 GHz, je k dispozici v pouzdře pro přišroubování (model IGN2856S500) a v odolném pouzdře pro montáž na přírubu (model IGN2856S500S).

Obě verze tranzistorů v balení jsou hermeticky utěsněny keramicko-epoxidovými víčky a pracují s napájecím napětím +50 V DC. Zatímco kovové příruby zvětšují velikost ve srovnání s pouzdrem se šrouby, množství keramického materiálu v obou pouzdrech je stejné, což je vyzbrojuje podobnými tepelně-disipačními vlastnostmi.

Každé zabalené zařízení obsahuje obvody impedančního přizpůsobení na vstupních a výstupních portech pro optimální výkon na frekvenci 2,856 GHz pro průmyslové, vědecké a lékařské účely (ISM) a dosahuje typické účinnosti 60 % při 12 μs širokých pulzech s 3% pracovním faktorem. Výkonové tranzistory zvládají výkony vstupního signálu od 25,0 do 39,7 W a poskytují typický zisk 11,8 dB.

Pulzní radarový zesilovač 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT od společnosti Microsemi, který je již několik let k dispozici pro pulzní radarové zesilovače v pásmu C, poskytuje špičkový výstupní výkon 120 W v pásmu 3,9 až 4,2 GHz při napájení stejnosměrným napětím +50 V.

. Spolehlivý pozlacený tranzistor je umístěn v hermeticky uzavřeném přírubovém pouzdře. Při charakteristice s 200 μs dlouhými impulsy při 10% pracovním cyklu pracuje s typickou účinností odběru 62 %. Zisk je vysoký, typicky 15,2 dB při 3,9 a 4,2 GHz, s malým poklesem impulsů, typicky -0,15 dB nebo lepším.

Pro ty, kteří vyžadují širší pásmo, i když s mnohem menším výkonem, je určen model DC35GN-15-Q4 stejné společnosti, GaN-on-SiC HEMT navržený v lineární konfiguraci třídy AB pro použití v pulzních i CW aplikacích od 5 MHz do 3,5 GHz. V tomto frekvenčním rozsahu poskytuje typický výstupní výkon 19 W s CW signály nebo s pulzy o délce až 1000 μs při 10% pracovním cyklu. Diskrétní tranzistor je dodáván v kompaktním pouzdře QFN se vzduchovou dutinou a podporuje aplikace v radarových a komunikačních systémech s typickou účinností 66 %. Je určen pro stejnosměrné napájecí napětí +50 V.

Další širokopásmový vysokovýkonný diskrétní tranzistor GaN-on-SiC, MMRF5017HS od společnosti NXP Semiconductors, se dodává v kovokeramickém pouzdře se šroubovým připojením a přizpůsobením vstupní impedance pro použití od 30 do 2200 MHz. Univerzální stejnosměrný výkonový tranzistor s napětím +50 V dokáže zpracovávat CW i pulzní signály s vysokou účinností a ziskem. Poskytuje výstupní výkon 125 W CW a typické zesílení 18 dB s účinností odtoku 59,1 % při frekvenci 520 MHz a výstupní výkon 80 W CW, zesílení 18,4 dB a účinnost odtoku 44 % při frekvenci 940 MHz. Při testování s pulzy o frekvenci 2200 MHz, 100 μs a 20% pracovním cyklem poskytuje špičkový výstupní výkon 200 W.

Model MMRF5014H téže společnosti, který nabízí o něco vyšší výkon v širším pásmu a v konvenčnějším pouzdře pro přírubovou montáž, je diskrétní GaN tranzistor schopný CW a pulzního provozu od 1 do 2700 MHz. Vyznačuje se špičkovým a CW výstupním výkonem 125 W při 2500 MHz se zesílením 16 dB CW a 18 dB pulzního zesílení. Účinnost odtoku je 64 % nebo lepší jak pro CW, tak pro pulzní signály (100μs pulzy při 20% pracovním cyklu). Při testování pro širokopásmový provoz je schopen dosáhnout výstupního výkonu 100 W CW se ziskem 12 dB od 200 do 2500 MHz, ačkoli typická účinnost odtoku klesá na 40 %.

Diskrétní výkonový tranzistor GaN-on-SiC QPD1029L vyvinutý společností Qorvo patří mezi vysokonapěťové výkonové tranzistory GaN, určené pro napájecí napětí +65 V DC. Jeho vstup odpovídá dvojici GaN die v rámci čtyřsvodičového přírubového pouzdra pro vysoké úrovně výkonu signálu od 1,2 do 1,4 GHz. Zařízení je ideální pro pulzní radarové aplikace v pásmu L, ale hodí se i pro zesílení CW signálů a dosahuje výstupního výkonu 1500 W s pulzy o šířce 300 μs při 10% pracovním cyklu. Výstupní výkon je výsledkem lineárního zesílení 21,3 dB pro vstupní signál +46,2 dBm. Typická účinnost odtoku při frekvenci 1,3 GHz je 62,5 %.

Mnoho z těchto diskrétních GaN tranzistorů využívá zlatou metalizaci pro vysokou spolehlivost a jsou dimenzovány na maximální napětí drain-source (napájecí) +150 V DC. Jak ukazují příklady, je možné dosáhnout značného špičkového výstupního výkonu z jediného zařízení pracujícího s kterýmkoli ze tří nejoblíbenějších napájecích napětí (+28, +40 a +50 V ss) – provoz při vyšším napájecím napětí není zárukou vyššího výstupního výkonu.

Studie spolehlivosti pomocí zrychleného testování životnosti (provedené společností Cree)1 ve skutečnosti ukázaly, že HEMT GaN-on-SiC zvládají různá napájecí napětí stejně dobře. Dokonce i při nejvyšším napájecím napětí (+50 V DC) sice některá zařízení vykazovala mírnou degradaci nasyceného výstupního výkonu, pravděpodobně v důsledku chování při vypalování, ale při zrychleném testování životnosti tranzistorů vyrobených několika různými procesy GaN-on-SiC nebyla zjištěna žádná selhání.

Cree nabízí nejširší sortiment diskrétních tranzistorů GaN-on-SiC, a to jak v die, tak v balených verzích. V die formě poskytuje diskrétní tranzistor CGHV1J025D GaN-on-SiC dostatečný (nasycený) výstupní výkon 25 W v rozsahu od 10 MHz do 18 GHz, aby posloužil různým aplikacím pro komunikaci mezi dvěma body a satelitní komunikaci a námořním radarům. Při testování při stejnosměrném napětí +40 V ve zkušebním zařízení poskytuje tranzistor zisk při malém signálu 17 dB a typickou hodnotu PAE 60 % při frekvenci 10 GHz. Pro větší výkon a stejný zisk, ale menší šířku pásma, poskytuje výkonový tranzistor CGHV60040D GaN firmy výstupní výkon 40 W s 65 % PAE od stejnosměrného napětí do 6 GHz a napájení +40 V DC.

Vyberte si obal

S ohledem na flexibilitu uspořádání umisťuje společnost Cree mnoho svých diskrétních tranzistorů GaN-on-SiC do přírubových a bezpřírubových pilulkových obalů. Například stejnosměrný model CGHV40100 s napětím +50 V se dodává v obou typech balení se stejnou úrovní výkonu od stejnosměrného napětí do 3 GHz pro každé ze zabalených zařízení.

Diskrétní výkonové tranzistory, které jsou k dispozici u distributora Mouser Electronics, vyžadují pro konkrétní aplikaci přizpůsobení vstupní a výstupní impedance. Jsou schopny dosáhnout 100 W nasyceného výstupního výkonu v režimu CW na frekvenci 1 GHz, 141 W na frekvenci 1,5 GHz a 116 W na frekvenci 2,0 GHz, se ziskem 16,9 dB při malém signálu na frekvenci 1 GHz a 17,5 dB na frekvenci 2 GHz. Tranzistor poskytuje vysokou účinnost, kterou je GaN známý, s účinností odtoku 68 % při 0,5 GHz, 56 % při 1 GHz a 54 % při 2 GHz.

GaN HEMT CGHV14800 (obr. 1) společnosti Cree je mezi balenými zařízeními jedním z nejvýkonnějších diskrétních zařízení, které je určeno pro pulzní řízení letového provozu a meteorologické radary v pásmu L od 960 do 1400 MHz. Dodává se v odolném pouzdře s keramickou/kovovou přírubou a poskytuje výstupní výkon 1000 W s typickým ziskem 15,5 dB a typickou účinností 74 % při frekvenci 1,2 GHz.

1. Vysoce výkonné diskrétní tranzistory GaN vyžadují odolné kovové/keramické obaly, které pomáhají odvádět teplo, jako je tomu u tohoto L-pásmového tranzistoru GaN-on-SiC pro aplikace v pásmu L od 960 do 1400 MHz. (S laskavým svolením Wolfspeed/Cree)

Tranzistor se stejnosměrným napětím +50 V při horní frekvenční hranici stále poskytuje výstupní výkon 910 W a zisk 15,1 dB s typickou účinností na odtoku 67 % při frekvenci 1,4 GHz. Zvládá pulzní úrovně vstupního výkonu +41 dBm pro 100μs pulzy při maximálním 5% pracovním cyklu a trpí pouze -0,3 dB poklesem amplitudy pulzu v celé šířce pásma.

Pro napájení s nižším napětím je model CGH40180PP od společnosti Cree bezkonkurenční GaN-on-SiC HEMT ve čtyřsvodičovém přírubovém pouzdře (obr. 2) určený pro použití od stejnosměrného napětí do 3 GHz s napětím odtoku +28 V DC. Jedná se o účinný zesilovač signálu pro aplikace v mobilní infrastruktuře a testovacích systémech, který poskytuje typický nasycený výstupní výkon 220 W v pásmu 1,1 až 1,3 GHz s typickou účinností odtoku 65 % a minimálním výkonovým ziskem 13 dB. Zisk při malých signálech je typicky 20 dB při 1 GHz a 15 dB při 2 GHz.

2. Model CGH40180PP je bezkonkurenční GaN-on-SiC HEMT ve čtyřsvodičovém přírubovém pouzdře pro použití od DC do 3 GHz s napájením +28 V DC. (S laskavým svolením Wolfspeed/Cree)

To samozřejmě představuje jen několik příkladů vysokovýkonných VF/mikrovlnných schopností substrátů GaN a GaN-on-SiC. GaN na Si je základem pro rostoucí počet produktů pro konverzi výkonu a nabíjení, jejichž klíčem jsou společnosti jako Texas Instruments a GaN Systems. Stejnosměrné GaN FETy +600 V společnosti Texas Instruments s integrovanými ovladači se staly klíčovými součástmi mnoha produktů pro napájení a konverzi energie. GaN Systems nabízí stejnosměrné GaN HEMT s napětím +650 V pro měniče a pohony motorů s vysokou hustotou výkonu.

GaN poskytuje vysoký výkon signálu na rádiových a mikrovlnných frekvencích a pravděpodobně se bude postupně přesouvat do frekvenčního pásma mmWave, protože potřeba výkonu signálu roste pro aplikace, jako je bezdrátová mobilní komunikace 5G a automobilové radarové systémy.