CPUs, GPUs, y ahora Chips de IA

Este artículo apareció en Microwaves & RF y se ha publicado aquí con permiso.

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Lo que aprenderá:

• ¿Cuáles son los diferentes materiales se utilizan en la creación de transistores de potencia GaN?
• El impacto del calor en el rendimiento.
• Un resumen de los transistores de RF de GaN actualmente en el mercado.

La potencia de estado sólido se presenta en muchas formas, aunque la tecnología de semiconductores de alta frecuencia y alta potencia de más rápido crecimiento puede estar basada en el nitruro de galio (GaN). Los transistores de potencia de GaN han sido durante mucho tiempo los bloques de construcción de dispositivos activos para los amplificadores de potencia lineales y comprimidos en los sistemas de radar militar de banda L y S.

Dependiendo de las necesidades de diseño, los transistores de potencia de GaN están disponibles en muchos proveedores para una gran variedad de aplicaciones en circuitos y sistemas de aviónica, comerciales, industriales, médicos y militares. Todos ellos aprovechan las capacidades de los materiales semiconductores de GaN de banda ancha para formar transistores de RF/microondas con alta densidad de potencia y altos niveles de potencia de salida en paquetes pequeños.

Algunos transistores de potencia de GaN están disponibles como troquel desnudo, mientras que muchos se suministran dentro de paquetes resistentes que tienen adaptación de impedancia interna para optimizar la potencia de salida para un rango de frecuencia particular. La cobertura de frecuencias de los transistores de GaN se está acercando a las frecuencias de ondas milimétricas (mmWave) a niveles de potencia de salida más bajos; los niveles de potencia de salida más elevados siguen siendo los de las señales pulsadas, normalmente en las frecuencias de las bandas L y S.

Los materiales importan

Los transistores de potencia discretos de GaN varían en forma y función, incluso en los materiales que soportan la base del semiconductor de GaN. Los materiales de GaN de banda ancha soportan diferentes estructuras de transistores, como el transistor de efecto de campo (FET), el transistor bipolar de heterounión (HBT) y el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT).

Sin embargo, debido a la alta resistencia térmica y a las limitadas capacidades de disipación de potencia del material de GaN, los semiconductores de GaN se fabrican en sustratos con menor resistencia térmica, incluyendo GaN sobre silicio (Si), carburo de silicio (SiC) e incluso diamante sintético. El uso de materiales de diamante, con la menor resistencia térmica de los tres sustratos, está motivado por la financiación de la investigación de la DARPA y su programa Near Junction Thermal Transport (NJTT), que lleva más de una década con varios socios.

Aunque tiene una resistencia térmica extremadamente baja, que ayuda a eliminar el calor de las regiones de unión de los semiconductores GaN, el diamante sintético todavía no es una opción de sustrato práctica para las aplicaciones de consumo/comerciales de los dispositivos GaN o incluso para las aplicaciones militares/aeroespaciales. Las propiedades térmicas de los tres materiales de sustrato son muy diferentes: el Si ofrece la menor disipación de calor al menor coste y el diamante sintético la mejor disipación térmica al mayor coste. Al representar un compromiso práctico entre coste y rendimiento térmico, el SiC es un sustrato que se utiliza a menudo para los transistores discretos de GaN de mayor potencia, especialmente los destinados a aplicaciones de misión crítica.

Como ya se ha mencionado, los transistores discretos de potencia de GaN están disponibles como troquel semiconductor y en varios estilos de encapsulado, algunos con adaptación de la impedancia de entrada y de entrada/salida a 50 Ω para simplificar la adición a los circuitos de RF/microondas. Los dispositivos de GaN son cada vez más comunes a bajas frecuencias como dispositivos activos en fuentes de alimentación de alto voltaje y convertidores de potencia y en aplicaciones de carga de baterías.

Los dispositivos discretos en forma de troquel pueden manejar una banda ancha que casi se extiende desde dc hasta 18 GHz, mientras que tanto los troqueles como las piezas empaquetadas están disponibles desde cerca de dc hasta las frecuencias de ondas milimétricas, aunque con niveles de potencia de salida más bajos a frecuencias crecientes. El GaN se ha convertido en una tecnología de amplificación de potencia bien aceptada en muchas aplicaciones de radar pulsado, especialmente para amplificadores de potencia (PA) en las frecuencias de las bandas C, L y S. Esta tecnología es capaz de ofrecer una alta ganancia con poca caída de la amplitud de los pulsos a través de la frecuencia. También proporciona una eficiencia de drenaje o eficiencia de potencia añadida (PAE) extremadamente alta, ya sea en forma de chip o de paquete.

¿Cuánta potencia de salida de RF/microondas puede esperarse de un solo transistor de GaN? Los amplificadores de radar y de telecomunicaciones suelen combinar varios dispositivos activos en las etapas de excitación y de salida para alcanzar la potencia de salida pico/pulsada o de onda continua (CW) requerida para una frecuencia y un ancho de banda determinados. Un solo transistor no es suficiente para un amplificador de radar. Pero a medida que se disponga de transistores discretos de mayor potencia, se necesitarán menos dispositivos activos para la potencia de salida deseada.

Cuestiones relacionadas con el calor

El calor suele ser un factor limitante de la potencia proporcionada por un solo transistor. Dado que las uniones semiconductoras de un transistor de GaN generan calor, especialmente a niveles de potencia más elevados, el calor debe gestionarse para garantizar una larga vida útil del transistor.

La cantidad de calor generada por un transistor de GaN (o cualquier otro) vendrá determinada por la eficiencia con la que utilice su fuente de alimentación. La eficiencia de drenaje del transistor se refiere a la cantidad o el porcentaje de potencia de CC suministrada a la entrada (drenaje) de un transistor que está disponible como potencia de señal de RF en su salida. Los diseñadores de amplificadores y otros usuarios de transistores pueden referirse a la PAE, que considera la ganancia del transistor y lo bien que el circuito del amplificador utiliza la potencia aplicada.

Si fuera posible una eficiencia del 100%, un transistor podría aumentar el nivel de potencia de una señal de entrada en función de la ganancia del dispositivo sin disipar calor. Pero la eficiencia de drenaje nunca es del 100% y parte de la potencia de entrada y de la energía de polarización se perderá en forma de calor. La mayor eficiencia se traduce en la menor cantidad de calor que debe disiparse para un funcionamiento seguro y prolongado del dispositivo.

Aunque algunos transistores comerciales de GaN presentan una buena eficiencia de drenaje del 65% y superior, la energía aplicada se pierde en forma de calor; por lo tanto, el calor debe disiparse para una vida útil y un rendimiento óptimos del transistor. Los encapsulados con baja resistencia térmica pueden ayudar a alejar el calor de las uniones del transistor.

La cantidad de potencia de salida disponible de un solo transistor de GaN dependerá de la tensión de alimentación (normalmente +28, +40 o +50 V cc), del tamaño y la forma del encapsulado y, en el caso de las matrices sin encapsular, de lo bien que se gestionen térmicamente en un circuito de aplicación. Algunos proveedores de transistores de GaN ofrecen semiconductores del mismo proceso (por ejemplo, para una alimentación de +28 V de CC) en dos encapsulados diferentes, normalmente encapsulados robustos de metal-cerámica con brida y encapsulados más pequeños de metal-cerámica «atornillados». La compensación básica es la potencia por el tamaño, con el transistor en el paquete más grande capaz de entregar más potencia de salida al rodear las uniones térmicas del transistor con una mayor cantidad de material disipador de calor.

Buscando una fuente

Los proveedores de transistores discretos de RF de GaN de alta potencia que pueden alimentar sistemas de radar pulsados son BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP y Qorvo. La mayoría de estos dispositivos discretos están diseñados para ser utilizados a una de las tres tensiones de alimentación (drenaje-fuente del dispositivo): +28, +40 y +50 V cc.

BeRex, por ejemplo, ofrece tres HEMT de potencia de GaN sobre SiC en su serie BCGxxx en forma de matriz para su uso con suministros de +28 V de corriente continua. Se trata de dispositivos de banda ancha con una cobertura total de frecuencias de CC a 26 GHz que pueden acoplarse por impedancia en circuitos amplificadores para aplicaciones en las bandas C, X, Ku y K. Los tres transistores, modelos BCG002, BCG004 y BCG008, proporcionan niveles de potencia de salida saturados de 2, 4 y 8 W, respectivamente, a una frecuencia de prueba de 12 GHz, con una ganancia superior a 8 dB y una PAE del 72%.

La mayoría de los proveedores de transistores discretos de GaN proporcionan sus dispositivos dentro de paquetes de potencia que están adaptados a la impedancia para obtener una alta ganancia en un rango de frecuencia específico. Para mayor comodidad, algunos incluso alojan el mismo semiconductor de GaN en varios formatos de encapsulado. Por ejemplo, un HEMT de GaN sobre SiC de alta potencia de Integra Technologies que ofrece una potencia de salida máxima de 500 W a 2,856 GHz está disponible en un encapsulado atornillado (modelo IGN2856S500) y en un encapsulado de montaje en brida de alta resistencia (modelo IGN2856S500S).

Ambas versiones de transistores empaquetados están sellados herméticamente con tapas de epoxi cerámico y funcionan con una tensión de alimentación de +50 V CC. Aunque las bridas metálicas añaden tamaño en comparación con el encapsulado atornillado, la cantidad de material cerámico en ambos encapsulados es la misma, lo que los dota de características de disipación térmica similares.

Cada dispositivo empaquetado contiene circuitos de adaptación de impedancia en los puertos de entrada y salida para un rendimiento óptimo en la frecuencia industrial, científica y médica (ISM) de 2,856 GHz, logrando una eficiencia de drenaje típica del 60% con pulsos de 12 μs de ancho a un factor de trabajo del 3%. Los transistores de potencia manejan niveles de potencia de señal de entrada de 25,0 a 39,7 W y proporcionan una ganancia típica de 11,8 dB.

Disponible desde hace varios años para amplificadores de radar pulsados en banda C, el HEMT 3942GN-120V GaN-on-SiC de Microsemi proporciona una potencia de salida máxima de 120 W de 3,9 a 4,2 GHz cuando se alimenta con una fuente de corriente continua de +50 V. El fiable transistor metalizado en oro está alojado en un encapsulado de montaje en brida herméticamente sellado. Cuando se caracteriza con pulsos de 200 μs de duración a un ciclo de trabajo del 10%, funciona con una eficiencia de drenaje típica del 62%. La ganancia es alta, típicamente 15,2 dB a 3,9 y 4,2 GHz, con poca caída de pulso, típicamente -0,15 dB o mejor.

Para aquellos que necesiten un mayor ancho de banda, aunque con mucha menos potencia, el modelo DC35GN-15-Q4 de la misma empresa es un HEMT de GaN sobre SiC diseñado en una configuración lineal de Clase AB para su uso en aplicaciones de pulsos y de onda continua desde 5 MHz hasta 3,5 GHz. En ese rango de frecuencias, proporciona una potencia de salida típica de 19 W con señales CW o con pulsos de hasta 1000 μs a un ciclo de trabajo del 10%. Suministrado en un encapsulado QFN compacto con cavidad de aire, el transistor discreto admite aplicaciones de radar y sistemas de comunicaciones con una eficiencia de drenaje típica del 66%. Está diseñado para una tensión de alimentación de +50 V cc.

Otro transistor discreto GaN-on-SiC de banda ancha y alta potencia, el MMRF5017HS de NXP Semiconductors, se suministra en un encapsulado metal-cerámico atornillado con adaptación de la impedancia de entrada para su uso entre 30 y 2200 MHz. Este versátil transistor de potencia de corriente continua de +50 V puede manejar señales de onda continua y pulsada con alta eficiencia y ganancia. Ofrece una potencia de salida en onda continua de 125 W y una ganancia típica de 18 dB con una eficiencia de drenaje del 59,1% a 520 MHz y una potencia de salida en onda continua de 80 W, una ganancia de 18,4 dB y una eficiencia de drenaje del 44% a 940 MHz. Cuando se prueba con pulsos de 2200-MHz y 100-μs para un ciclo de trabajo del 20%, proporciona una potencia de salida máxima de 200 W.

Ofreciendo un poco más de potencia en un ancho de banda más amplio y en un encapsulado de montaje en brida más convencional, el modelo MMRF5014H de la misma empresa es un transistor discreto de GaN capaz de funcionar en CW y en pulsos de 1 a 2700 MHz. Presenta una potencia de salida máxima y en onda continua de 125 W a 2500 MHz con una ganancia en onda continua de 16 dB y una ganancia en pulsos de 18 dB. La eficiencia de drenaje es del 64% o superior tanto para señales CW como pulsadas (pulsos de 100-μs a un ciclo de trabajo del 20%). Cuando se comprueba su funcionamiento en banda ancha, es capaz de alcanzar una potencia de salida de 100 W en CW con una ganancia de 12 dB de 200 a 2500 MHz, aunque la eficiencia de drenaje típica desciende al 40%.

El transistor de potencia discreto de GaN sobre SiC QPD1029L desarrollado por Qorvo es uno de los transistores de potencia de RF de GaN de más alto voltaje, diseñado para una tensión de alimentación de +65 V cc. Su entrada coincide con un par de troqueles de GaN dentro de un encapsulado de brida de cuatro terminales para niveles de potencia de señal elevados de 1,2 a 1,4 GHz. Ideal para aplicaciones de radar pulsado en banda L, pero también útil para potenciar señales de onda continua, el dispositivo alcanza una potencia de salida de 1500 W con pulsos de 300 μs de ancho a un ciclo de trabajo del 10%. La potencia de salida es el resultado de una ganancia lineal de 21,3 dB para una señal de entrada de +46,2 dBm. La eficiencia de drenaje típica a 1,3 GHz es del 62,5%.

Muchos de estos transistores discretos de GaN emplean metalización de oro para una alta fiabilidad y están clasificados para una tensión máxima de drenaje-fuente (alimentación) de +150 V cc. Como muestran los ejemplos, es posible obtener una potencia de salida máxima significativa con un solo dispositivo que funcione con cualquiera de las tres tensiones de alimentación más populares (+28, +40 y +50 V de CC); el funcionamiento con una tensión de alimentación superior no garantiza una mayor potencia de salida.

De hecho, los estudios de fiabilidad realizados mediante pruebas de vida acelerada (por Cree)1 revelaron que los HEMT de GaN sobre SiC manejaban igualmente bien las diferentes tensiones de alimentación. Incluso con la tensión de alimentación más alta (+50 V dc), aunque algunos dispositivos mostraron una ligera degradación en la potencia de salida saturada, posiblemente debido al comportamiento de quemado, no se encontraron fallos durante las pruebas de vida acelerada de los transistores fabricados con varios procesos diferentes de GaN sobre SiC.

Cree ofrece la más amplia gama de transistores discretos de GaN sobre SiC, tanto en versión de matriz como de paquete. En forma de matriz, el transistor discreto de GaN sobre SiC CGHV1J025D proporciona suficiente potencia de salida (saturada) a 25 W de 10 MHz a 18 GHz para servir a una variedad de aplicaciones de comunicaciones punto a punto y por satélite y de radar marino. Cuando se prueba a +40 V cc en un dispositivo de prueba, el transistor produce una ganancia de señal pequeña de 17 dB y una PAE típica del 60% a 10 GHz. Para obtener más potencia y la misma cantidad de ganancia pero menos ancho de banda, el troquel del transistor de potencia de GaN CGHV60040D de la empresa ofrece una potencia de salida de 40 W con un 65% de PAE desde dc hasta 6 GHz y una alimentación de +40 V dc.

Elija un encapsulado

Abordando la flexibilidad de diseño, Cree aloja muchos de sus transistores discretos de GaN sobre SiC en encapsulados de pastillas con y sin bridas. Por ejemplo, el modelo CGHV40100 de +50 V de corriente continua viene en ambos estilos de encapsulado con niveles de rendimiento iguales desde corriente continua hasta 3 GHz para cada uno de los dispositivos encapsulados.

Los transistores de potencia discretos, disponibles en el distribuidor Mouser Electronics, requieren la adaptación de la impedancia de entrada y salida para una aplicación concreta. Son capaces de ofrecer una potencia de salida saturada de 100 W en onda continua a 1 GHz, 141 W a 1,5 GHz y 116 W a 2,0 GHz, con una ganancia de señal pequeña de 16,9 dB a 1 GHz y 17,5 dB a 2 GHz. El transistor ofrece la alta eficiencia por la que es conocido el GaN, con una eficiencia de drenaje del 68% a 0,5 GHz, del 56% a 1 GHz y del 54% a 2 GHz.

Entre sus dispositivos empaquetados, el HEMT de GaN CGHV14800 de Cree (Fig. 1) es uno de los dispositivos discretos de mayor potencia disponibles, destinado a los radares meteorológicos y de control del tráfico aéreo de banda L pulsada de 960 a 1400 MHz. Suministrado en un robusto encapsulado de cerámica/brida metálica, ofrece una potencia de salida de 1000 W con una ganancia típica de 15,5 dB y una eficiencia de drenaje típica del 74% a 1,2 GHz.

1. Los transistores discretos de GaN de alta potencia requieren encapsulados metálicos/cerámicos resistentes que ayuden a disipar el calor, como el utilizado con este transistor de GaN sobre SiC de banda L para aplicaciones de banda L de 960 a 1400 MHz. (Cortesía de Wolfspeed/Cree)

En su límite de frecuencia superior, el transistor de +50 V cc sigue proporcionando una potencia de salida de 910 W y una ganancia de 15,1 dB con una eficiencia de drenaje típica del 67% a 1,4 GHz. Maneja niveles de potencia de entrada pulsada de +41 dBm para pulsos de 100 μs con un ciclo de trabajo máximo del 5% y sólo sufre una caída de amplitud de pulso de -0,3 dB en todo su ancho de banda.

Para una alimentación de bajo voltaje, el modelo CGH40180PP de Cree es un HEMT de GaN sobre SiC inigualable en un encapsulado de brida de cuatro terminales (Fig. 2) diseñado para su uso desde dc hasta 3 GHz con una tensión de drenaje de +28 V dc. Se trata de un eficaz amplificador de potencia de la señal para aplicaciones de infraestructuras celulares y sistemas de prueba, que ofrece una potencia de salida de CW saturada típica de 220 W de 1,1 a 1,3 GHz con una eficiencia de drenaje típica del 65% y una ganancia de potencia mínima de 13 dB. La ganancia de señal pequeña es típicamente de 20 dB a 1 GHz y 15 dB a 2 GHz.

2. El modelo CGH40180PP es un HEMT de GaN sobre SiC sin parangón en un encapsulado de brida de cuatro terminales para su uso de CC a 3 GHz con suministros de CC de +28 V. (Cortesía de Wolfspeed/Cree)

Por supuesto, estos son sólo algunos ejemplos de las capacidades de RF/microondas de alta potencia de los sustratos de GaN y GaN sobre SiC. El GaN sobre Si es la base de un número cada vez mayor de productos de conversión de potencia y de carga, liderados por empresas como Texas Instruments y GaN Systems. Los FET de GaN de +600 V de corriente continua de Texas Instruments con controladores integrados se han convertido en componentes clave de muchos productos de alimentación y conversión de potencia. GaN Systems ofrece una matriz HEMT de GaN de +650 V de corriente continua para convertidores de potencia de alta densidad y accionamientos de motores.

El GaN proporciona una alta potencia de señal en las frecuencias de RF y microondas y es probable que se adentre de forma constante en el rango de frecuencias de las ondas milimétricas a medida que aumenten las necesidades de potencia de señal para aplicaciones como las comunicaciones celulares inalámbricas 5G y los sistemas de radar para automóviles.