CPU’er, GPU’er og nu AI-chips

Denne artikel blev udgivet i Microwaves & RF og er blevet offentliggjort her med tilladelse.

Medlemmer kan downloade denne artikel i PDF-format.

Det vil du lære:

• Hvad er de forskellige materialer, der bruges til at skabe GaN-strømtransistorer?
• Varmeeffekten af varme på ydeevnen.
• En oversigt over højtydende RF-GaN-transistorer, der i øjeblikket er på markedet.

Solid-state power findes i mange former, selv om den hurtigst voksende højfrekvens- og højtydende halvlederteknologi måske er baseret på galliumnitrid (GaN). GaN-effekttransistorer har længe været de aktive byggesten til lineære og komprimerede effektforstærkere i L- og S-bånds militære radarsystemer.

Afhængigt af designbehovene fås GaN-effekttransistorer fra mange leverandører til en række forskellige anvendelser i kredsløb og systemer til flyelektronik, kommerciel, industriel, medicinsk og militær brug. De udnytter alle mulighederne i GaN-halvledermaterialer med bredt båndgab til at danne RF/mikrobølgetransistorer med høj effekttæthed og høje udgangseffektniveauer i små pakninger.

Nogle GaN-strømtransistorer fås som bare die, mens mange leveres i robuste pakninger, der har intern impedanstilpasning for at optimere udgangseffekten for et bestemt frekvensområde. Frekvensdækningen for GaN-transistorer nærmer sig millimeterbølgefrekvenser (mmWave) ved lavere udgangseffektniveauer; de højeste udgangseffektniveauer er stadig for pulserende signaler typisk ved L- og S-båndsfrekvenser.

Materialer er vigtige

Diskrete GaN-effekttransistorer varierer i form og funktion, selv i de materialer, der understøtter GaN-halvledermaterialets fundament. GaN-materialer med bredt båndgab understøtter forskellige transistorstrukturer, såsom FET- (field-effect-transistor), HBT- (heterojunction-bipolar-transistor) og HEMT- (high-electron-mobility-transistor) strukturer.

På grund af GaN-materialets høje termiske modstand og begrænsede evne til at afgive strøm er GaN-halvledere imidlertid fremstillet på substrater med lavere termisk modstand, herunder GaN på silicium (Si), siliciumcarbid (SiC) og endda syntetisk diamant. Brugen af diamantmaterialer, der har den laveste termiske modstand af de tre substrater, er motiveret af forskningsmidler fra DARPA og dets NJTT-program (Near Junction Thermal Transport), som har eksisteret sammen med flere partnere i over et årti.

Selv om det har en ekstremt lav termisk modstand, hvilket hjælper med at fjerne varme fra GaN-halvledernes junction-regioner, er syntetisk diamant stadig ikke en praktisk substratmulighed for forbruger-/kommercielle anvendelser af GaN-enheder eller endog for militær-/luftfartsapplikationer. De termiske egenskaber for de tre substratmaterialer er meget forskellige, idet Si giver den mindste varmeafledning til den laveste pris og syntetisk diamant den bedste varmeafledning til den højeste pris. SiC repræsenterer en praktisk afvejning mellem omkostninger og termisk ydeevne og er et ofte anvendt substrat til diskrete GaN-transistorer med højere effekt, især dem, der er beregnet til missionskritiske applikationer.

Som nævnt fås diskrete GaN-effekttransistorer som halvlederstump og i forskellige pakningsformer, nogle med indgangs- og indgangs-/udgangsimpedanstilpasning til 50 Ω for at forenkle tilføjelsen til RF/mikrobølgekredsløb. GaN-enheder bliver mere og mere almindelige ved lavere frekvenser som aktive enheder i højspændingsstrømforsyninger og strømkonvertere og i batteriopladningsapplikationer.

Diskrete enheder i die-form kan håndtere bredbånd, der næsten strækker sig fra DC til 18 GHz, mens både die- og pakkede dele er tilgængelige fra næsten DC til mmWave-frekvenser, om end med lavere udgangseffektniveauer ved stigende frekvenser. GaN er blevet en velaccepteret effektforstærkningsteknologi i mange pulserende radarapplikationer, især til effektforstærkere (PA’er) ved C-, L- og S-båndsfrekvenser. Teknologien er i stand til at opnå høj forstærkning med et lille fald i pulsamplituden på tværs af frekvensen. Den giver også en ekstremt høj drænvirkningsgrad eller effekttilvækstvirkningsgrad (PAE), uanset om det er i chip- eller pakningsform.

Hvor stor RF/mikrobølgeudgangseffekt kan man forvente af en enkelt GaN-transistor? Praktiske PA’er til radar- og telekommunikationsforstærkere kombinerer typisk flere aktive enheder i driver- og udgangstrin for at opnå en krævet peak/pulset eller continuous-wave (CW)-udgangseffekt for en designfrekvens og båndbredde. En enkelt transistor vil ikke være nok til en radarforstærker. Men efterhånden som diskrete transistorer med højere effekt bliver tilgængelige, vil der være behov for færre aktive enheder for at opnå den ønskede udgangseffekt.

Problemer med varme

Varme er normalt en begrænsende faktor for den effekt, der leveres af en enkelt transistor. Da halvlederovergangene i en GaN-transistor genererer varme, især ved højere effektniveauer, skal varmen håndteres for at sikre en lang levetid for transistoren.

Mængden af varme, der genereres af en GaN-transistor (eller en hvilken som helst anden transistor), vil blive bestemt af, hvor effektivt den bruger sin strømforsyning. Transistorens drænvirkningsgrad henviser til den mængde eller procentdel af den DC-effekt, der tilføres ved indgangen (drænet) af en transistor, som er tilgængelig som RF-signaleffekt ved dens udgang. Forstærkerkonstruktører og andre brugere af transistorer kan henvise til PAE, som tager hensyn til transistorens forstærkning og til, hvor godt forstærkerens kredsløb udnytter den tilførte effekt.

Hvis 100 % effektivitet var mulig, kunne en transistor øge effektniveauet for et indgangssignal som en funktion af enhedens forstærkning uden at afgive nogen varme. Men drænvirkningsgraden er aldrig 100 %, og en vis indgangseffekt og forspændingsenergi vil gå tabt som varme. Den højeste effektivitet resulterer i den mindste mængde varme, der skal afgives for at sikre en sikker og langvarig drift af enheden.

Selv om nogle kommercielle GaN-transistorer har en god drænvirkningsgrad på 65 % og derover, går tilført energi tabt som varme; varmen skal derfor afledes for at opnå optimal levetid og ydeevne for transistorerne. Pakninger med lav termisk modstand kan bidrage til at lede varmen væk fra en transistorens junctions.

Mængden af udgangseffekt, der er tilgængelig fra en enkelt GaN-transistor, afhænger af forsyningsspændingen (typisk +28, +40 eller +50 V DC), pakkens størrelse og form og, for uindpakkede die, hvor godt de er termisk styret i et applikationskredsløb. Nogle GaN-transistorleverandører tilbyder halvledere fra den samme proces (f.eks. til en +28 V DC-forsyning) i to forskellige pakninger, typisk robuste metal-keramiske flangemonteringspakker og mindre “bolt-down”-metal-keramiske pakninger. Den grundlæggende afvejning er effekt i forhold til størrelse, idet transistoren i den større pakke kan levere mere udgangseffekt ved at omgive transistorens termiske forbindelser med en større mængde varmeafledende materiale.

Søgning af en kilde

Leverandører af diskrete højtydende diskrete RF GaN-transistorer, der kan forsyne pulserende radarsystemer, omfatter BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP og Qorvo. De fleste af disse diskrete enheder er konstrueret til brug ved en af tre forsyningsspændinger (enhedens dræn-til-source-spænding): +28, +40 og +50 V dc.

BeRex tilbyder f.eks. tre GaN-on-SiC power HEMT’er i sin BCGxxx-serie i die-form til brug med +28 V dc-forsyninger. Der er tale om bredbåndsenheder med en samlet frekvensdækning fra dc til 26 GHz, som kan impedanstilpasses i forstærkerkredsløb til applikationer på C-, X-, Ku- og K-båndet. De tre transistorer, modellerne BCG002, BCG004 og BCG008, giver mættede udgangseffektniveauer på henholdsvis 2, 4 og 8 W ved en testfrekvens på 12 GHz med en forstærkning på mere end 8 dB og en PAE på 72 %.

De fleste leverandører af diskrete GaN-transistorer leverer deres enheder i effektpakker, der er impedanstilpasset til høj forstærkning over et bestemt frekvensområde. For nemheds skyld har nogle endda den samme GaN-halvleder i flere pakkeformater. F.eks. fås en højtydende GaN-on-SiC HEMT fra Integra Technologies, der leverer 500 W spidsudgangseffekt ved 2,856 GHz, i en bolt-down-pakke (model IGN2856S500) og i en kraftig flangemonteringspakke (model IGN2856S500S).

Både pakkede transistorversioner er hermetisk forseglede med keramisk-epoxy-dæksler og fungerer ved en forsyningsspænding på +50 V dc. Mens metalflangerne øger størrelsen i forhold til bolt-down-pakken, er mængden af keramisk materiale i begge pakker den samme, hvilket giver dem lignende termiske afledningsegenskaber.

Hver pakke indeholder impedanstilpasningskredsløb ved ind- og udgangsportene for optimal ydelse ved 2,856 GHz industriel, videnskabelig og medicinsk (ISM) frekvens (ISM) og opnår 60% typisk drænvirkningsgrad med 12-μs brede pulser ved 3% duty factor. Effekttransistorerne håndterer indgangssignaleffektniveauer fra 25,0 til 39,7 W og giver en typisk forstærkning på 11,8 dB.

Den 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT fra Microsemi, der har været tilgængelig i flere år til C-bånds pulserende radarforstærkere, giver 120 W spidsudgangseffekt fra 3,9 til 4,2 GHz, når den forsynes af en +50 V jævnstrøm. Den pålidelige guldmetalliserede transistor er anbragt i en hermetisk forseglet flange-mount-pakning. Når den er karakteriseret med 200-μs lange pulser ved 10% duty cycle, fungerer den med en typisk drænvirkningsgrad på 62%. Forstærkningen er høj, typisk 15,2 dB ved 3,9 og 4,2 GHz, med lille pulsfald, typisk -0,15 dB eller bedre.

For dem, der har brug for større båndbredde, om end med meget mindre effekt, er samme selskabs model DC35GN-15-Q4 en GaN-on-SiC HEMT designet i en lineær klasse AB-konfiguration til brug i både pulserede og CW-applikationer fra 5 MHz til 3,5 GHz. I hele dette frekvensområde giver den en typisk udgangseffekt på 19 W med CW-signaler eller med pulser så brede som 1000 μs ved 10 % duty cycle. Den diskrete transistor, der leveres i en kompakt QFN-pakning med lufthule, understøtter radar- og kommunikationssystemapplikationer med en typisk drænvirkningsgrad på 66 %. Den er designet til +50 V DC forsyningsspænding.

En anden diskret GaN-on-SiC-transistor med høj effekt i bredbånd, MMRF5017HS fra NXP Semiconductors, leveres i en bolt-down metal-keramisk pakke med indgangsimpedanstilpasning til brug fra 30 til 2200 MHz. Den alsidige +50 V DC-strømtransistor kan håndtere CW- og pulssignaler med høj effektivitet og forstærkning. Den leverer 125 W CW-udgangseffekt og 18 dB typisk forstærkning med 59,1 % drænvirkningsgrad ved 520 MHz og 80 W CW-udgangseffekt, 18,4 dB forstærkning og 44 % drænvirkningsgrad ved 940 MHz. Når den testes med 2200 MHz, 100-μs pulser for en 20% duty cycle, giver den en maksimal udgangseffekt på 200 W.

Modellen MMRF5014H fra samme firma, der tilbyder lidt mere effekt over en større båndbredde og i en mere konventionel flange-mount-pakning, er en diskret GaN-transistor, der er i stand til CW- og pulserende drift fra 1 til 2700 MHz, og som giver lidt mere effekt over en større båndbredde og i en mere konventionel flange-mount-pakning. Den har en peak- og CW-udgangseffekt på 125 W ved 2500 MHz med 16 dB CW-forstærkning og 18 dB pulserende forstærkning. Drainvirkningsgraden er 64 % eller bedre for både CW- og pulssignaler (100-μs pulser ved 20 % duty cycle). Når den testes til bredbåndsdrift, er den i stand til at yde 100 W CW-udgangseffekt med 12 dB forstærkning fra 200 til 2500 MHz, selv om den typiske drænvirkningsgrad falder til 40 %.

Den diskrete GaN-on-SiC-effekttransistor QPD1029L, der er udviklet af Qorvo, er blandt de højspændings-GaN RF-effekttransistorer med højeste spænding og er designet til en forsyningsspænding på +65 V DC. Dens indgang passer til et par GaN-die i en fireplade flangepakning til høje signaleffektniveauer fra 1,2 til 1,4 GHz. Enheden er ideel til L-bånd pulserende radarapplikationer, men er også nyttig til forstærkning af CW-signaler, og den opnår en udgangseffekt på 1500 W med 300 μs brede pulser ved 10% duty cycle. Udgangseffekten er et resultat af en lineær forstærkning på 21,3 dB for et indgangssignal på +46,2 dBm. Den typiske drænvirkningsgrad ved 1,3 GHz er 62,5 %.

Mange af disse diskrete GaN-transistorer anvender guldmetallisering for høj pålidelighed og er normeret til en maksimal drin-source (forsynings)spænding på +150 V dc. Som eksemplerne viser, er det muligt at opnå en betydelig spidsudgangseffekt fra en enkelt enhed, der drives ved en af de tre mest populære forsyningsspændinger (+28, +40 og +50 V dc) – drift ved en højere forsyningsspænding er ikke nogen garanti for højere udgangseffekt.

Faktisk viste pålidelighedsundersøgelser ved hjælp af accelereret levetidstest (af Cree)1 , at GaN-on-SiC HEMT’er håndterede forskellige forsyningsspændinger lige godt. Selv ved den højeste forsyningsspænding (+50 V DC), mens nogle enheder udviste en lille nedbrydning af den mættede udgangseffekt, muligvis på grund af burn-in-adfærd, blev der ikke fundet nogen fejl under accelereret levetidstestning af transistorer fremstillet med flere forskellige GaN-on-SiC-processer.

Cree tilbyder det bredeste sortiment af diskrete GaN-on-SiC-transistorer, både i die- og pakkede versioner. I die-form giver den diskrete GaN-on-SiC-transistor CGHV1J025D tilstrækkelig (mættet) udgangseffekt på 25 W fra 10 MHz til 18 GHz til at betjene en række applikationer inden for punkt-til-punkt- og satellitkommunikation og maritim radar. Når transistoren testes ved +40 V dc i en testanordning, giver den 17 dB forstærkning ved små signaler og en typisk PAE på 60 % ved 10 GHz. Hvis man ønsker mere effekt og samme forstærkning, men mindre båndbredde, leverer firmaets GaN-effekttransistor CGHV60040D en udgangseffekt på 40 W med 65 % PAE fra dc til 6 GHz og en forsyning på +40 V dc.

Vælg en pakke

Med hensyn til fleksibilitet i layoutet har Cree mange af sine diskrete GaN-on-SiC-transistorer i flange- og flangeløse pillepakker. For eksempel fås +50-V dc-modellen CGHV40100 i begge pakningsformer med samme ydelsesniveauer fra dc til 3 GHz for hver af de pakkede enheder.

De diskrete effekttransistorer, der fås hos distributøren Mouser Electronics, kræver indgangs- og udgangsimpedanstilpasning til en bestemt anvendelse. De er i stand til at yde 100 W mættet CW-udgangseffekt ved 1 GHz, 141 W ved 1,5 GHz og 116 W ved 2,0 GHz med 16,9 dB forstærkning ved små signaler ved 1 GHz og 17,5 dB forstærkning ved 2 GHz. Transistoren giver den høje effektivitet, som GaN er kendt for, med en drænvirkningsgrad på 68 % ved 0,5 GHz, 56 % ved 1 GHz og 54 % ved 2 GHz.

I blandt de pakkede enheder er Cree’s CGHV14800 GaN HEMT (fig. 1) en af de diskrete enheder med den højeste effekt, der er til rådighed, og som er rettet mod pulserende L-bånds lufttrafikkontrol og vejrradarer fra 960 til 1400 MHz. Den leveres i en robust keramisk/metalflangepakning og leverer en udgangseffekt på 1000 W med en typisk forstærkning på 15,5 dB og en typisk drænvirkningsgrad på 74 % ved 1,2 GHz.

1. Diskrete GaN-transistorer med høj effekt kræver robuste metal/keramiske pakninger for at hjælpe med at aflede varmen, som f.eks. denne L-band GaN-on-SiC-transistor til L-band-applikationer fra 960 til 1400 MHz. (Med venlig hilsen fra Wolfspeed/Cree)

På sin øvre frekvensgrænse giver +50 V dc-transistoren stadig 910 W udgangseffekt og 15,1 dB forstærkning med 67 % typisk drænvirkningsgrad ved 1,4 GHz. Den håndterer pulserede indgangseffektniveauer på +41 dBm for 100-μs pulser ved 5% maksimal duty cycle og lider kun -0,3 dB pulsamplitudefald over hele sin båndbredde.

For en forsyning med lavere spænding er model CGH40180PP fra Cree en uovertruffen GaN-on-SiC HEMT i en flangepakning med fire ledninger (fig. 2) designet til brug fra dc til 3 GHz med +28 V dc drænspænding. Den er en effektiv signalstyrkeforstærker til mobilinfrastruktur og testsystemapplikationer og leverer 220 W typisk mættet CW-udgangseffekt fra 1,1 til 1,3 GHz med 65 % typisk drænvirkningsgrad og 13 dB minimumseffektforøgelse. Forbedringen ved småsignaler er typisk 20 dB ved 1 GHz og 15 dB ved 2 GHz.

2. Model CGH40180PP er en uovertruffen GaN-on-SiC HEMT i en flangepakning med fire ledninger til brug fra DC til 3 GHz med +28 V DC-strømforsyning. (Med venlig hilsen fra Wolfspeed/Cree)

Disse repræsenterer naturligvis kun nogle få eksempler på de højeffektive RF/mikrobølgeevner, som GaN- og GaN-on-SiC-substrater har. GaN på Si er grundlaget for et voksende antal produkter til strømkonvertering og opladning, der er udviklet af virksomheder som Texas Instruments og GaN Systems. Texas Instruments’ +600-V dc GaN FET’er med integrerede drivere er blevet nøglekomponenter i mange strømforsynings- og strømkonverteringsprodukter. GaN Systems tilbyder en +650-V dc GaN HEMT-die til strømkonvertere og motordrev med høj effekttæthed.

GaN giver høj signaleffekt ved RF- og mikrobølgefrekvenser og vil sandsynligvis bevæge sig støt ind i mmWave-frekvensområdet, efterhånden som behovet for signaleffekt vokser til applikationer som f.eks. trådløs 5G-cellekommunikation og radaranlæg til biler.