CPUs, GPUs und jetzt auch KI-Chips

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Was Sie erfahren werden:

• Welche verschiedenen Materialien werden bei der Herstellung von GaN-Leistungstransistoren verwendet?
• Die Auswirkung von Wärme auf die Leistung.
• Eine Übersicht über die derzeit auf dem Markt befindlichen Hochleistungs-HF-GaN-Transistoren.

Festkörperleistung gibt es in vielen Formen, obwohl die am schnellsten wachsende Hochfrequenz- und Hochleistungs-Halbleitertechnologie wohl auf Galliumnitrid (GaN) basiert. GaN-Leistungstransistoren sind seit langem die aktiven Bausteine für lineare und komprimierte Leistungsverstärker in militärischen L- und S-Band-Radarsystemen.

Abhängig von den Designanforderungen sind GaN-Leistungstransistoren von vielen Anbietern für eine Vielzahl von Anwendungen in Schaltungen und Systemen für die Avionik, den kommerziellen, industriellen, medizinischen und militärischen Bereich erhältlich. Sie alle nutzen die Fähigkeiten von GaN-Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke, um HF-/Mikrowellen-Transistoren mit hoher Leistungsdichte und hoher Ausgangsleistung in kleinen Gehäusen zu bilden.

Einige GaN-Leistungstransistoren sind als nackte Chips erhältlich, während viele in robusten Gehäusen geliefert werden, die über eine interne Impedanzanpassung verfügen, um die Ausgangsleistung für einen bestimmten Frequenzbereich zu optimieren. Die Frequenzabdeckung für GaN-Transistoren nähert sich den Millimeterwellen (mmWave)-Frequenzen bei niedrigeren Ausgangsleistungspegeln; die höchsten Ausgangsleistungspegel sind immer noch für gepulste Signale typischerweise bei L- und S-Band-Frequenzen.

Materialien spielen eine Rolle

Diskrete GaN-Leistungstransistoren unterscheiden sich in Form und Funktion, auch in den Materialien, die die Grundlage des GaN-Halbleitermaterials bilden. Wide-Bandgap-GaN-Materialien unterstützen verschiedene Transistorstrukturen, wie z. B. Feldeffekttransistoren (FET), Heteroübergang-Bipolartransistoren (HBT) und HEMT-Strukturen (High-Electron-Mobility-Transistor).

Aufgrund des hohen Wärmewiderstands und der begrenzten Verlustleistung des GaN-Materials werden GaN-Halbleiter jedoch auf Substraten mit geringerem Wärmewiderstand hergestellt, darunter GaN auf Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und sogar synthetischem Diamant. Die Verwendung von Diamantmaterialien, die den geringsten Wärmewiderstand der drei Substrate aufweisen, wird durch die Forschungsförderung der DARPA und ihr Near Junction Thermal Transport (NJTT)-Programm motiviert, das seit über einem Jahrzehnt mit mehreren Partnern durchgeführt wird.

Obwohl er einen extrem niedrigen Wärmewiderstand aufweist, der dazu beiträgt, die Wärme aus den Übergangsbereichen von GaN-Halbleitern abzuführen, ist synthetischer Diamant immer noch keine praktische Substratoption für Verbraucher- und kommerzielle Anwendungen von GaN-Bauteilen oder sogar für Anwendungen in Militär und Raumfahrt. Die thermischen Eigenschaften der drei Substratmaterialien sind sehr unterschiedlich, wobei Si die geringste Wärmeableitung zu den niedrigsten Kosten und synthetischer Diamant die beste Wärmeableitung zu den höchsten Kosten bietet. Da SiC einen praktischen Kompromiss zwischen Kosten und thermischer Leistung darstellt, wird es häufig als Substrat für diskrete GaN-Transistoren mit höherer Leistung verwendet, insbesondere für solche, die für unternehmenskritische Anwendungen bestimmt sind.

Wie bereits erwähnt, sind diskrete GaN-Leistungstransistoren als Halbleiterchips und in verschiedenen Gehäuseformen erhältlich, einige davon mit einer Eingangs- und Eingangs-/Ausgangsimpedanzanpassung auf 50 Ω, um den Einbau in HF-/Mikrowellenschaltungen zu vereinfachen. GaN-Bauelemente werden bei niedrigeren Frequenzen immer häufiger als aktive Bauelemente in Hochspannungsnetzteilen und Leistungswandlern sowie in Batterieladeanwendungen eingesetzt.

Diskrete Bauelemente in Chipform sind für den Breitbandbereich geeignet, der fast von DC bis 18 GHz reicht, während sowohl Chip- als auch gehäuste Bauelemente von DC-nahen bis zu mmWave-Frequenzen verfügbar sind, wenn auch mit geringerer Ausgangsleistung bei steigenden Frequenzen. GaN hat sich in vielen gepulsten Radaranwendungen zu einer anerkannten Leistungsverstärkungstechnologie entwickelt, insbesondere für Leistungsverstärker (PAs) im C-, L- und S-Band. Die Technologie ermöglicht eine hohe Verstärkung mit geringem Abfall der Impulsamplitude über die Frequenz. Außerdem bietet sie einen extrem hohen Drain-Wirkungsgrad oder Leistungszusatz-Wirkungsgrad (PAE), sowohl in Chip- als auch in gehäuster Form.

Wie viel HF-/Mikrowellen-Ausgangsleistung kann man von einem einzigen GaN-Transistor erwarten? Praktische PAs für Radar- und Telekommunikationsverstärker kombinieren in der Regel mehrere aktive Bauelemente in Treiber- und Ausgangsstufen, um die erforderliche Spitzen-/Impuls- oder Dauerstrich-Ausgangsleistung für eine bestimmte Frequenz und Bandbreite zu erreichen. Ein einzelner Transistor ist für einen Radarverstärker nicht ausreichend. Da jedoch immer leistungsstärkere diskrete Transistoren zur Verfügung stehen, werden weniger aktive Bauelemente für die angestrebte Ausgangsleistung benötigt.

Wärmeprobleme

Wärme ist normalerweise ein begrenzender Faktor für die von einem einzelnen Transistor gelieferte Leistung. Da die Halbleiterübergänge eines GaN-Transistors Wärme erzeugen, insbesondere bei höheren Leistungen, muss die Wärme kontrolliert werden, um eine lange Lebensdauer des Transistors zu gewährleisten.

Die von einem GaN-Transistor (oder jedem anderen) erzeugte Wärmemenge wird dadurch bestimmt, wie effizient er seine Stromversorgung nutzt. Der Transistor-Drain-Wirkungsgrad bezieht sich auf die Menge oder den Prozentsatz der am Eingang (Drain) eines Transistors zugeführten Gleichstromleistung, die als HF-Signalleistung an seinem Ausgang zur Verfügung steht. Verstärkerentwickler und andere Benutzer von Transistoren können sich auf PAE beziehen, das die Verstärkung des Transistors und die Ausnutzung der zugeführten Leistung durch die Verstärkerschaltung berücksichtigt.

Wenn ein Wirkungsgrad von 100 % möglich wäre, könnte ein Transistor den Leistungspegel eines Eingangssignals in Abhängigkeit von der Geräteverstärkung erhöhen, ohne Wärme abzugeben. Der Drain-Wirkungsgrad beträgt jedoch nie 100 %, und ein Teil der Eingangsleistung und der Vorspannungsenergie geht als Wärme verloren. Der höchste Wirkungsgrad führt zu der geringsten Wärmemenge, die für einen sicheren und langen Betrieb des Geräts abgeführt werden muss.

Obwohl einige kommerzielle GaN-Transistoren einen guten Drain-Wirkungsgrad von 65 % und mehr aufweisen, geht die zugeführte Energie in Form von Wärme verloren; daher muss die Wärme für eine optimale Lebensdauer und Leistung des Transistors abgeleitet werden. Gehäuse mit geringem Wärmewiderstand können dazu beitragen, die Wärme von den Transistorkontakten abzuleiten.

Die von einem einzelnen GaN-Transistor zur Verfügung stehende Ausgangsleistung hängt von der Versorgungsspannung (typischerweise +28, +40 oder +50 V Gleichstrom), der Größe und Form des Gehäuses und, bei ungehäusten Chips, davon ab, wie gut sie in einer Anwendungsschaltung thermisch verwaltet werden. Einige Anbieter von GaN-Transistoren bieten Halbleiter aus demselben Prozess (z. B. für eine +28-V-Gleichstromversorgung) in zwei verschiedenen Gehäusen an, in der Regel robuste Metall-Keramik-Gehäuse für die Flanschmontage und kleinere „Bolt-Down“-Metall-Keramik-Gehäuse. Der grundlegende Kompromiss ist Leistung gegen Größe, wobei der Transistor im größeren Gehäuse mehr Ausgangsleistung liefern kann, indem er die thermischen Verbindungen des Transistors mit einer größeren Menge an wärmeableitendem Material umgibt.

Suche nach einer Quelle

Zu den Anbietern von diskreten Hochleistungs-HF-GaN-Transistoren, die gepulste Radarsysteme versorgen können, gehören BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP und Qorvo. Die meisten dieser diskreten Bauelemente sind für den Einsatz bei einer von drei Versorgungsspannungen (Drain-to-Source) ausgelegt: +28, +40 und +50 V Gleichspannung.

BeRex zum Beispiel bietet drei GaN-on-SiC-Leistungs-HEMTs in seiner BCGxxx-Serie in Chipform für die Verwendung mit +28-V-Gleichstromversorgungen an. Dabei handelt es sich um Breitband-Bauelemente mit einer Gesamtfrequenzabdeckung von DC bis 26 GHz, die in Verstärkerschaltungen für Anwendungen im C-, X-, Ku- und K-Band impedanzangepasst werden können. Die drei Transistoren, die Modelle BCG002, BCG004 und BCG008, liefern gesättigte Ausgangsleistungen von 2, 4 bzw. 8 W bei einer Testfrequenz von 12 GHz, mit einer Verstärkung von mehr als 8 dB und einem PAE von 72 %.

Die meisten Anbieter von diskreten GaN-Transistoren liefern ihre Bauelemente in Leistungsgehäusen, die für eine hohe Verstärkung über einen bestimmten Frequenzbereich impedanzangepasst sind. Der Einfachheit halber bringen einige sogar denselben GaN-Halbleiter in mehreren Gehäuseformaten unter. So ist beispielsweise ein Hochleistungs-GaN-on-SiC-HEMT von Integra Technologies, der eine Spitzenausgangsleistung von 500 W bei 2,856 GHz liefert, in einem Bolt-Down-Gehäuse (Modell IGN2856S500) und in einem hochbelastbaren Flanschgehäuse (Modell IGN2856S500S) erhältlich.

Beide Transistorversionen im Gehäuse sind mit Keramik-Epoxid-Deckeln hermetisch abgedichtet und arbeiten mit einer Versorgungsspannung von +50 V Gleichstrom. Während die Metallflansche im Vergleich zum Bolt-Down-Gehäuse für zusätzliche Größe sorgen, ist die Menge an keramischem Material in beiden Gehäusen gleich, wodurch sie ähnliche Wärmeableitungseigenschaften aufweisen.

Jedes Gehäuse enthält Impedanzanpassungsschaltungen an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen für eine optimale Leistung bei der ISM-Frequenz (Industrie, Wissenschaft und Medizin) von 2,856 GHz und erreicht einen typischen Drain-Wirkungsgrad von 60 % mit 12 μs breiten Impulsen bei 3 % Tastverhältnis. Die Leistungstransistoren verarbeiten Eingangssignalleistungen von 25,0 bis 39,7 W und bieten eine typische Verstärkung von 11,8 dB.

Der seit mehreren Jahren für gepulste Radarverstärker im C-Band verfügbare 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT von Microsemi bietet eine Spitzenausgangsleistung von 120 W von 3,9 bis 4,2 GHz, wenn er mit einer +50-V-Gleichstromversorgung betrieben wird. Der zuverlässige, gold-metallisierte Transistor ist in einem hermetisch abgedichteten Flanschgehäuse untergebracht. Bei einer Charakterisierung mit 200 μs langen Impulsen bei 10 % Tastverhältnis arbeitet er mit einer typischen Drain-Effizienz von 62 %. Die Verstärkung ist hoch, typischerweise 15,2 dB bei 3,9 und 4,2 GHz, mit geringem Impulsabfall, typischerweise -0,15 dB oder besser.

Für diejenigen, die eine größere Bandbreite benötigen, wenn auch mit viel weniger Leistung, ist das Modell DC35GN-15-Q4 desselben Unternehmens ein GaN-on-SiC-HEMT, der in einer linearen Konfiguration der Klasse AB für den Einsatz sowohl in gepulsten als auch in CW-Anwendungen von 5 MHz bis 3,5 GHz entwickelt wurde. In diesem Frequenzbereich liefert er eine typische Ausgangsleistung von 19 W mit CW-Signalen oder mit Pulsen von bis zu 1000 μs bei einem Tastverhältnis von 10 %. Der diskrete Transistor wird in einem kompakten QFN-Gehäuse mit Luftraum geliefert und unterstützt Radar- und Kommunikationssystemanwendungen mit einem typischen Drain-Wirkungsgrad von 66 %. Er ist für eine Versorgungsspannung von +50 V Gleichstrom ausgelegt.

Ein weiterer Breitband-Hochleistungs-GaN-on-SiC-Diskrettransistor, der MMRF5017HS von NXP Semiconductors, wird in einem Bolt-Down-Metallkeramikgehäuse mit Eingangsimpedanzanpassung für den Einsatz von 30 bis 2200 MHz geliefert. Der vielseitige +50-V-Gleichstrom-Leistungstransistor kann CW- und gepulste Signale mit hoher Effizienz und Verstärkung verarbeiten. Er liefert 125 W CW-Ausgangsleistung und 18 dB typische Verstärkung mit 59,1 % Drain-Wirkungsgrad bei 520 MHz und 80 W CW-Ausgangsleistung, 18,4 dB Verstärkung und 44 % Drain-Wirkungsgrad bei 940 MHz. Bei 2200-MHz-Pulsen mit 100 μs und einem Tastverhältnis von 20 % liefert er eine Spitzenausgangsleistung von 200 W.

Das Modell MMRF5014H desselben Unternehmens ist ein diskreter GaN-Transistor, der für den CW- und Pulsbetrieb von 1 bis 2700 MHz geeignet ist und etwas mehr Leistung über eine größere Bandbreite und in einem konventionelleren Flanschgehäuse bietet. Er bietet eine Spitzen- und CW-Ausgangsleistung von 125 W bei 2500 MHz mit 16 dB CW-Verstärkung und 18 dB gepulster Verstärkung. Der Drain-Wirkungsgrad beträgt 64 % oder mehr sowohl für CW- als auch für gepulste Signale (100-μs-Pulse bei 20 % Tastverhältnis). Bei Tests für den Breitbandbetrieb ist er in der Lage, 100 W CW-Ausgangsleistung mit 12 dB Verstärkung von 200 bis 2500 MHz zu liefern, obwohl der typische Drain-Wirkungsgrad auf 40 % fällt.

Der von Qorvo entwickelte diskrete GaN-on-SiC-Leistungstransistor QPD1029L gehört zu den GaN-HF-Leistungstransistoren mit der höchsten Spannung und ist für eine Versorgungsspannung von +65 V Gleichstrom ausgelegt. Sein Eingang passt zu einem GaN-Die-Paar in einem vierpoligen Flanschgehäuse für hohe Signalleistungspegel von 1,2 bis 1,4 GHz. Der Baustein ist ideal für gepulste L-Band-Radaranwendungen, eignet sich aber auch zur Verstärkung von CW-Signalen und erreicht eine Ausgangsleistung von 1500 W mit 300 μs breiten Pulsen bei 10 % Tastverhältnis. Die Ausgangsleistung ist das Ergebnis einer linearen Verstärkung von 21,3 dB für ein Eingangssignal von +46,2 dBm. Der typische Drain-Wirkungsgrad bei 1,3 GHz beträgt 62,5 %.

Viele dieser diskreten GaN-Transistoren weisen eine Goldmetallisierung für hohe Zuverlässigkeit auf und sind für eine maximale Drain-Source-(Versorgungs-)Spannung von +150 V DC ausgelegt. Wie die Beispiele zeigen, ist eine erhebliche Spitzenausgangsleistung mit einem einzigen Bauelement möglich, das mit einer der drei gängigsten Versorgungsspannungen (+28, +40 und +50 V DC) betrieben wird – der Betrieb mit einer höheren Versorgungsspannung ist keine Garantie für eine höhere Ausgangsleistung.

Zuverlässigkeitsstudien mit beschleunigten Lebensdauertests (von Cree)1 haben gezeigt, dass GaN-on-SiC-HEMTs verschiedene Versorgungsspannungen gleich gut vertragen. Selbst bei der höchsten Versorgungsspannung (+50 V DC) zeigten einige Bauelemente zwar eine leichte Verschlechterung der gesättigten Ausgangsleistung, was möglicherweise auf das Einbrennverhalten zurückzuführen ist, doch wurden bei beschleunigten Lebensdauertests von Transistoren, die mit verschiedenen GaN-on-SiC-Prozessen hergestellt wurden, keine Ausfälle festgestellt.

Cree bietet das breiteste Sortiment an diskreten GaN-on-SiC-Transistoren an, sowohl in Die- als auch in gehäusten Versionen. In Die-Form bietet der diskrete GaN-on-SiC-Transistor CGHV1J025D eine ausreichende (gesättigte) Ausgangsleistung bei 25 W von 10 MHz bis 18 GHz, um eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt- und Satellitenkommunikations- sowie Schiffsradaranwendungen zu bedienen. Bei Tests mit +40 V DC in einer Testvorrichtung liefert der Transistor eine 17-dB-Kleinsignalverstärkung und 60 % typische PAE bei 10 GHz. Der GaN-Leistungstransistor CGHV60040D des Unternehmens bietet mehr Leistung und die gleiche Verstärkung, aber eine geringere Bandbreite und liefert 40 W Ausgangsleistung mit 65 % PAE von DC bis 6 GHz und einer +40-V-DC-Versorgung.

Wählen Sie ein Gehäuse

Um die Layout-Flexibilität zu erhöhen, bietet Cree viele seiner diskreten GaN-on-SiC-Transistoren in geflanschten und flanschlosen Pillengehäusen an. Das +50-V-Gleichstrommodell CGHV40100 ist beispielsweise in beiden Gehäuseformen erhältlich, wobei die Leistungsstufen von Gleichstrom bis 3 GHz für jedes der gehäusten Bauteile gleich sind.

Die diskreten Leistungstransistoren, die beim Distributor Mouser Electronics erhältlich sind, erfordern eine Anpassung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz für eine bestimmte Anwendung. Sie erreichen eine gesättigte CW-Ausgangsleistung von 100 W bei 1 GHz, 141 W bei 1,5 GHz und 116 W bei 2,0 GHz, mit einer Kleinsignalverstärkung von 16,9 dB bei 1 GHz und 17,5 dB bei 2 GHz. Der Transistor bietet die hohe Effizienz, für die GaN bekannt ist, mit einer Drain-Effizienz von 68 % bei 0,5 GHz, 56 % bei 1 GHz und 54 % bei 2 GHz.

Der CGHV14800 GaN-HEMT von Cree (Abb. 1) ist eines der leistungsstärksten diskreten Bauelemente auf dem Markt und zielt auf gepulste L-Band-Flugverkehrskontroll- und Wetterradare von 960 bis 1400 MHz. Er wird in einem robusten Keramik/Metallflansch-Gehäuse geliefert und liefert eine Ausgangsleistung von 1000 W bei einer typischen Verstärkung von 15,5 dB und einem typischen Drain-Wirkungsgrad von 74 % bei 1,2 GHz.

1. Diskrete GaN-Hochleistungstransistoren erfordern robuste Metall-/Keramikgehäuse zur Wärmeableitung, wie sie bei diesem L-Band-GaN-on-SiC-Transistor für L-Band-Anwendungen von 960 bis 1400 MHz verwendet werden. (Mit freundlicher Genehmigung von Wolfspeed/Cree)

An seiner oberen Frequenzgrenze liefert der +50-V-Gleichstromtransistor immer noch 910 W Ausgangsleistung und 15,1 dB Verstärkung bei einem typischen Drain-Wirkungsgrad von 67 % bei 1,4 GHz. Er bewältigt gepulste Eingangsleistungspegel von +41 dBm für 100-μs-Pulse bei einem maximalen Tastverhältnis von 5 % und weist über seine gesamte Bandbreite nur einen Impulsamplitudenabfall von -0,3 dB auf.

Für eine Versorgung mit niedrigeren Spannungen ist das Modell CGH40180PP von Cree ein unübertroffener GaN-on-SiC-HEMT in einem vierpoligen Flanschgehäuse (Abb. 2), der für den Einsatz von DC bis 3 GHz mit +28 V DC Drainspannung ausgelegt ist. Als effektiver Signalleistungsverstärker für Mobilfunkinfrastruktur- und Testsystemanwendungen liefert er eine typische gesättigte CW-Ausgangsleistung von 220 W von 1,1 bis 1,3 GHz mit einem typischen Drain-Wirkungsgrad von 65 % und einer Mindestleistungsverstärkung von 13 dB. Die Kleinsignalverstärkung beträgt typischerweise 20 dB bei 1 GHz und 15 dB bei 2 GHz.

2. Das Modell CGH40180PP ist ein unübertroffener GaN-on-SiC-HEMT in einem vierpoligen Flanschgehäuse für den Einsatz von Gleichstrom bis 3 GHz mit +28-V-Gleichstromversorgungen. (Mit freundlicher Genehmigung von Wolfspeed/Cree)

Natürlich sind dies nur einige Beispiele für die Hochleistungs-HF/Mikrowellen-Fähigkeiten von GaN und GaN-on-SiC-Substraten. GaN auf Si ist die Grundlage für eine wachsende Zahl von Leistungswandlungs- und Ladeprodukten, die von Unternehmen wie Texas Instruments und GaN Systems entwickelt werden. Die +600-V-dc-GaN-FETs von Texas Instruments mit integrierten Treibern sind zu Schlüsselkomponenten in vielen Stromversorgungs- und Stromwandlungsprodukten geworden. GaN Systems bietet einen +650-V-dc-GaN-HEMT-Die für Leistungswandler und Motorantriebe mit hoher Leistungsdichte an.

GaN bietet eine hohe Signalleistung bei HF- und Mikrowellenfrequenzen und wird sich wahrscheinlich stetig in den mmWave-Frequenzbereich bewegen, da der Bedarf an Signalleistung für Anwendungen wie 5G-Mobilfunk und Kfz-Radarsysteme steigt.