CPU:t, GPU:t ja nyt myös tekoälysirut

Tämä artikkeli ilmestyi Microwaves & RF -lehdessä, ja se on julkaistu täällä luvalla.

Jäsenet voivat ladata tämän artikkelin PDF-muodossa.

Mitä opit:

• Mitkä ovat eri materiaaleja, joita käytetään gaeliniumnitraattitehotransistoreiden valmistuksessa?
• Lämmön vaikutus suorituskykyyn.
• Katsaus tällä hetkellä markkinoilla oleviin suuritehoisiin RF-GaN-transistoreihin.

Kiinteän olomuodon tehoa on monessa muodossa, vaikka nopeimmin kasvava suurtaajuus- ja suuritehoinen puolijohdeteknologia saattaa perustua galliumnitridiin (GaN). GaN-tehotransistorit ovat jo pitkään olleet L- ja S-kaistan sotilastutkajärjestelmien lineaaristen ja pakattujen tehovahvistimien aktiivilaitteiden rakennuspalikoita.

Suunnittelutarpeista riippuen GaN-tehotransistoreja on saatavana monilta toimittajilta erilaisiin sovelluksiin ilmailutekniikan, kaupallisen, teollisen, lääketieteellisen ja sotilaskäytön piireissä ja järjestelmissä. Ne kaikki hyödyntävät laajan kaistaleveyden GaN-puolijohdemateriaalien ominaisuuksia muodostaakseen RF/mikroaaltotransistoreja, joilla on suuri tehotiheys ja korkeat lähtötehotasot pienissä pakkauksissa.

Joitakin GaN-tehotransistoreja on saatavana paljaana kuorena, kun taas monet toimitetaan kestävissä pakkauksissa, joissa on sisäinen impedanssisovitus lähtötehon optimoimiseksi tietylle taajuusalueelle. GaN-transistorien taajuuksien kattavuus lähestyy millimetriaaltojen (mmWave) taajuuksia pienemmillä lähtötehotasoilla; suurimmat lähtötehotasot ovat edelleen pulssisignaaleille tyypillisesti L- ja S-kaistan taajuuksilla.

Materiaaleilla on väliä

Diskreetit GaN-tehotransistorit vaihtelevat muodoltaan ja toiminnaltaan, jopa GaN-puolijohdemateriaaliperustan tukemien materiaalien osalta. Laajakaistaiset GaN-materiaalit tukevat erilaisia transistorirakenteita, kuten kenttäefektitransistori- (FET), heterojunction-bipolar-transistori- (HBT) ja high-electron-mobility-transistori- (HEMT) rakenteita.

GaN-materiaalin korkean lämpöresistanssin ja rajoitetun tehonsiirtokyvyn vuoksi GaN-puolijohteet valmistetaan kuitenkin substraateille, joilla on alhaisempi lämpöresistanssi, mukaan lukien GaN pii (Si), piikarbidi (SiC) ja jopa synteettinen timantti. Timanttimateriaalien, joilla on näistä kolmesta substraatista pienin lämpövastus, käyttö perustuu DARPAn tutkimusrahoitukseen ja sen Near Junction Thermal Transport (NJTT) -ohjelmaan, jota on toteutettu useiden kumppaneiden kanssa jo yli vuosikymmenen ajan.

Vaikka synteettisellä timantilla on erittäin alhainen lämpöresistanssi, joka auttaa poistamaan lämpöä GaN-puolijohteiden liitosalueilta, synteettinen timantti ei edelleenkään ole käytännöllinen substraattivaihtoehto GaN-laitteiden kuluttaja- ja kaupallisiin sovelluksiin tai edes sotilas- ja avaruussovelluksiin. Näiden kolmen substraattimateriaalin lämpöominaisuudet ovat hyvin erilaiset, sillä Si tarjoaa vähiten lämpöä haihduttavan materiaalin alhaisimmilla kustannuksilla ja synteettinen timantti parhaan lämpöä haihduttavan materiaalin korkeimmilla kustannuksilla. Kustannusten ja lämpösuorituskyvyn välinen kompromissi on käytännöllinen, joten SiC on usein käytetty substraatti suurempitehoisille erillisille GaN-transistoreille, erityisesti niille, jotka on tarkoitettu kriittisiin sovelluksiin.

Kuten mainittiin, erillisiä GaN-tehotransistoreja on saatavana puolijohdekuutioina ja erilaisissa pakkaustyyleissä, joista joissakin on tulo- ja tulo-/lähtöimpedanssin sovitus 50 Ω:iin, mikä yksinkertaistaa lisäämistä RF/mikroaaltopiireihin. GaN-laitteet ovat yleistymässä matalammilla taajuuksilla aktiivisina laitteina korkeajänniteteholähteissä ja tehomuuntimissa sekä akkujen lataussovelluksissa.

Diskreettiset laitteet die-muodossa pystyvät käsittelemään laajakaistaa, joka ulottuu lähes dc:stä 18 GHz:iin, kun taas sekä die- että pakattuja osia on saatavilla lähes dc:stä mmWave-taajuuksiin, vaikkakin pienemmillä lähtötehoilla nousevilla taajuuksilla. GaN:stä on tullut hyvin hyväksytty tehovahvistinteknologia monissa pulssitutkasovelluksissa, erityisesti C-, L- ja S-taajuuksien tehovahvistimissa (PA). Tekniikalla voidaan saavuttaa suuri vahvistus, kun pulssin amplitudi ei juurikaan laske taajuuden yli. Se tarjoaa myös erittäin korkean tyhjennyshyötysuhteen tai tehonlisäyshyötysuhteen (PAE) riippumatta siitä, onko kyseessä siru vai pakkausmuoto.

Miten paljon RF/mikroaaltotehoa voidaan odottaa yhdeltä GaN-transistorilta? Käytännön tutka- ja tietoliikennevahvistimissa käytetyissä PA-laitteissa yhdistetään tyypillisesti useita aktiivisia laitteita ohjain- ja lähtövaiheissa, jotta saavutetaan vaadittu huippu/pulssitettu tai jatkuvan aallon (CW) lähtöteho suunnittelutaajuudella ja kaistanleveydellä. Yksi transistori ei riitä tutkavahvistimeen. Mutta kun suurempitehoisia erillisiä transistoreita tulee saataville, tavoitellun lähtötehon saavuttamiseksi tarvitaan vähemmän aktiivisia laitteita.

Lämpöön liittyvät ongelmat

Lämpö on yleensä rajoittava tekijä yksittäisen transistorin tuottamassa tehossa. Koska GaN-transistorin puolijohdeliitokset tuottavat lämpöä erityisesti suuremmilla tehotasoilla, lämpöä on hallittava transistorin pitkän käyttöiän varmistamiseksi.

GaN-transistorin (tai minkä tahansa muun transistorin) tuottaman lämmön määrä määräytyy sen mukaan, kuinka tehokkaasti se käyttää virtalähteensä. Transistorin tyhjennyshyötysuhteella tarkoitetaan transistorin sisääntuloon (tyhjennykseen) syötetyn tasasähkötehon määrää tai prosenttiosuutta, joka on käytettävissä RF-signaalin tehona sen ulostulossa. Vahvistinsuunnittelijat ja muut transistorien käyttäjät voivat viitata PAE:hen, jossa otetaan huomioon transistorin vahvistus ja se, kuinka hyvin vahvistimen piiri käyttää käytetyn tehon.

Jos 100 %:n hyötysuhde olisi mahdollinen, transistori voisi kasvattaa tulosignaalin tehotasoa laitteen vahvistuksen funktiona hukkaamatta lainkaan lämpöä. Mutta tyhjennyshyötysuhde ei ole koskaan 100 %, ja osa tulotehosta ja bias-energiasta häviää lämpönä. Suurin hyötysuhde johtaa pienimpään määrään lämpöä, joka on haihdutettava laitteen turvallisen ja pitkäaikaisen toiminnan varmistamiseksi.

Vaikka joillakin kaupallisilla GaN-transistoreilla on hyvä 65 %:n ja sitä korkeampi tyhjennystehokkuus, syötetty energia häviää lämpönä; näin ollen lämpö on haihdutettava transistorin optimaalisen käyttöiän ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Pakkaukset, joissa on alhainen lämpövastus, voivat auttaa virtaamaan lämpöä pois transistorin liitoskohdista.

Yksittäisestä GaN-transistorista saatavan lähtötehon määrä riippuu syöttöjännitteestä (tyypillisesti +28, +40 tai +50 V tasajännite), pakkauksen koosta ja muodosta sekä pakkaamattomien die-kappaleiden osalta siitä, kuinka hyvin niitä hallitaan termisesti sovelluspiirissä. Jotkut GaN-transistoritoimittajat tarjoavat samasta prosessista valmistettuja puolijohteita (esimerkiksi +28 V:n tasavirtasyöttöä varten) kahdessa eri kotelossa, tyypillisesti kestävissä metallikeraamisissa laippakiinnitteisissä koteloissa ja pienemmissä metallikeraamisissa pulttikiinnitteisissä koteloissa. Perusvaihtoehtona on teho suhteessa kokoon, jolloin suuremmassa pakkauksessa oleva transistori pystyy tuottamaan enemmän lähtötehoa ympäröimällä transistorin lämpöliitokset suuremmalla määrällä lämpöä haihduttavaa materiaalia.

Lähdettä etsimässä

Suuritehoisten diskreettien RF-GaN-transistorien, jotka voivat syöttää tehoa pulssitutkajärjestelmiin, toimittajia ovat muun muassa BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP ja Qorvo. Useimmat näistä erillisistä laitteista on suunniteltu käytettäväksi yhdellä kolmesta syöttöjännitteestä (laitteen tyhjennyksen ja lähteen välinen jännite): +28, +40 ja +50 V DC.

BeRex esimerkiksi tarjoaa kolme GaN-on-SiC-tehohEMT:tä BCGxxx-sarjassaan die-muodossa käytettäväksi +28 V:n tasavirtalähteillä. Nämä ovat laajakaistaisia laitteita, joiden kokonaistaajuusalue ulottuu dc:stä 26 GHz:iin ja jotka voidaan impedanssisovittaa vahvistinpiireissä C-, X-, Ku- ja K-kaistan taajuuksien sovelluksiin. Kolme transistoria, mallit BCG002, BCG004 ja BCG008, tuottavat 12 GHz:n testitaajuudella 2 W:n, 4 W:n ja 8 W:n saturoidun lähtötehon, jonka vahvistus on parempi kuin 8 dB ja PAE 72 %.

Useimmat erillisen GaN-transistorin toimittajat toimittavat laitteitaan tehopaketeissa, jotka on impedanssisovitettu suurta vahvistusta varten tietyllä taajuusalueella. Mukavuuden vuoksi jotkut jopa sijoittavat saman GaN-puolijohteen useisiin eri pakkausmuotoihin. Esimerkiksi Integra Technologiesin suuritehoinen GaN-on-SiC HEMT, joka tuottaa 500 W:n huipputehon 2,856 GHz:n taajuudella, on saatavana pulttikiinnitteisessä pakkauksessa (malli IGN2856S500) ja raskaassa laippakiinnitteisessä pakkauksessa (malli IGN2856S500S).

Kumpikin pakattu transistoriversio on hermeettisesti suljettu keraamisilla epoksikansilla ja toimii +50 V:n tasajännitteellä. Vaikka metallilaipat lisäävät kokoa pulttikiinnitteiseen pakkaukseen verrattuna, keraamisen materiaalin määrä molemmissa pakkauksissa on sama, mikä antaa niille samanlaiset lämpöhajoamisominaisuudet.

Jokaisessa pakatussa laitteessa on impedanssin sovituspiirit tulo- ja lähtöportissa optimaalista suorituskykyä varten 2,856 GHz:n teollisuus-, tiede- ja lääketieteellisellä (ISM) taajuudella, jolloin saavutetaan 60 % tyypillinen tyhjennystehokkuus 12μs:n levyisillä pulsseilla 3 %:n käyttökertoimella. Tehotransistorit käsittelevät tulosignaalin tehotasoja 25,0-39,7 W ja tarjoavat tyypillisen 11,8 dB:n vahvistuksen.

Mikrosemin 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT, joka on ollut saatavana useiden vuosien ajan C-taajuusalueen pulssitutkavahvistimiin, tarjoaa 120 W:n huippulähdön tehon 3,9-4,2 GHz:n taajuusalueelta, kun se saa virtansa +50 V:n tasavirtajännitteestä. Luotettava kultametalloitu transistori on sijoitettu hermeettisesti suljettuun laippakiinnitteiseen pakkaukseen. Kun sitä luonnehditaan 200μs:n pituisilla pulsseilla 10 %:n työjaksolla, se toimii tyypillisellä 62 %:n tyhjennyshyötysuhteella. Vahvistus on korkea, tyypillisesti 15,2 dB 3,9 ja 4,2 GHz:n taajuusalueilla, ja pulssihäviö on pieni, tyypillisesti -0,15 dB tai parempi.

Neille, jotka tarvitsevat laajempaa kaistanleveyttä, vaikkakin paljon pienemmällä teholla, saman yrityksen malli DC35GN-15-Q4 on GaN-on-SiC HEMT, joka on suunniteltu AB-luokan lineaariseen konfiguraatioon käytettäväksi sekä pulssi- että CW-sovelluksissa 5 MHz:stä 3,5 GHz:iin. Kyseisellä taajuusalueella se tuottaa tyypillisesti 19 W:n lähtötehon CW-signaaleilla tai jopa 1000 μs:n pituisilla pulsseilla 10 %:n työjaksolla. Kompaktissa QFN-paketissa toimitettu diskreetti transistori tukee tutka- ja viestintäjärjestelmäsovelluksia, ja sen tyypillinen tyhjennysteho on 66 %. Se on suunniteltu +50 V:n tasavirtajännitteelle.

Toinen laajakaistainen suuritehoinen GaN-on-SiC-diskreettitransistori, NXP Semiconductorsin MMRF5017HS, toimitetaan pulttikiinnitteisessä metallikeraamisessa paketissa, jossa on tuloimpedanssin sovitus 30-2200 MHz:n käyttöön. Monipuolinen +50 voltin tasavirtatehotransistori pystyy käsittelemään CW- ja pulssisignaaleja korkealla hyötysuhteella ja vahvistuksella. Se tuottaa 125 W CW-lähtötehon ja 18 dB:n tyypillisen vahvistuksen 59,1 %:n tyhjennyshyötysuhteella 520 MHz:ssä ja 80 W CW-lähtötehon, 18,4 dB:n vahvistuksen ja 44 %:n tyhjennyshyötysuhteen 940 MHz:ssä. Kun sitä testattiin 2200 MHz:n 100μs:n pulsseilla 20 %:n työjaksolla, se tuottaa 200 W:n huippulähdötehon.

Malli MMRF5014H on saman yrityksen erillinen GaN-transistori, joka tarjoaa hiukan enemmän tehoa laajemmalla kaistanleveydellä ja tavanomaisemmassa laippakiinnitteisessä paketissa, ja se on diskreetti GaN-transistori, joka kykenee CW- ja pulssitehon tuottamiseen taajuusalueelta 1 – 2700 MHz. Sen huippu- ja CW-lähtöteho on 125 W 2500 MHz:n taajuudella 16 dB:n CW-vahvistuksella ja 18 dB:n pulssivahvistuksella. Drain-hyötysuhde on 64 % tai parempi sekä CW- että pulssisignaaleilla (100μs:n pulssit 20 %:n työjaksolla). Laajakaistakäyttöä testattaessa se pystyy 100 watin CW-lähtötehoon 12 dB:n vahvistuksella 200-2500 MHz:n taajuusalueella, vaikka tyypillinen tyhjennyshyötysuhde laskee 40 %:iin.

Qorvon kehittämä QPD1029L-diskreetti GaN-on-SiC-tehotransistori kuuluu korkeimman jännitteen omaaviin GaN RF-tehotransistoreihin, jotka on suunniteltu +65 V:n tasajännitteelle. Sen sisääntulo sopii yhteen GaN-kuoppaparin kanssa nelijohtimisessa laippakotelossa korkeille signaalitehotasoille 1,2-1,4 GHz:n taajuusalueella. Laite on ihanteellinen L-kaistan pulssitutkasovelluksiin, mutta se on hyödyllinen myös CW-signaalien vahvistamiseen, ja sillä saavutetaan 1500 W:n lähtöteho 300μs:n levyisillä pulsseilla 10 %:n käyttöasteella. Lähtöteho on seurausta 21,3 dB:n lineaarisesta vahvistuksesta +46,2 dBm:n tulosignaalille. Tyypillinen tyhjennystehokkuus 1,3 GHz:n taajuudella on 62,5 %.

Monissa näissä erillisissä GaN-transistoreissa käytetään kultaista metallointia korkean luotettavuuden takaamiseksi, ja ne on mitoitettu maksimissaan +150 V:n tasajännitteelle (syöttöjännite). Kuten esimerkit osoittavat, merkittävä huippulähdöteho on mahdollinen yhdestä laitteesta, joka toimii millä tahansa kolmesta suosituimmasta syöttöjännitteestä (+28, +40 ja +50 V dc) – toiminta korkeammalla syöttöjännitteellä ei takaa suurempaa lähtötehoa.

Itse asiassa luotettavuustutkimukset, joissa käytettiin kiihdytettyjä käyttöikätestejä (Cree)1 , osoittivat, että GaN-on-SiC HEMT:t käsittelivät eri syöttöjännitteitä yhtä hyvin. Jopa korkeimmalla syöttöjännitteellä (+50 V tasajännite), vaikka joillakin laitteilla havaittiin pientä heikkenemistä tyydyttyneessä lähtötehossa, mikä saattoi johtua sisäänpolttokäyttäytymisestä, useilla eri GaN-on-SiC-prosesseilla valmistettujen transistorien kiihdytetyissä käyttöiän testauksissa ei havaittu vikoja.

Cree tarjoaa laajimman valikoiman GaN-on-SiC-diskreettisiä transistoreja sekä die- että pakattuina versioina. Die-muodossa CGHV1J025D-diskreetti GaN-on-SiC-transistori tarjoaa riittävästi (kyllästettyä) lähtötehoa 25 W:n teholla 10 MHz:n ja 18 GHz:n välisellä taajuusalueella erilaisiin point-to-point- ja satelliittiviestintä- sekä meritutkasovelluksiin. Kun transistoria testataan +40 V:n tasavirralla testilaitteessa, se tuottaa 17 dB:n piensignaalivahvistuksen ja 60 %:n tyypillisen PAE:n 10 GHz:n taajuudella. Yrityksen CGHV60040D GaN-tehotransistori CGHV60040D tuottaa 40 W:n lähtötehon 65 %:n PAE:lla tasajännitteestä 6 GHz:iin +40 V:n tasajännitesyötöllä, jos halutaan saada enemmän tehoa ja sama vahvistus mutta pienempi kaistanleveys.

Valitse paketti

Joustavuutta asetteluun tuo se, että Cree sijoittaa monet erillisistä GaN-on-SiC-transistoreistaan laipallisiin ja laipattomiin pilleripaketteihin. Esimerkiksi +50 V:n tasavirtamallia CGHV40100 on saatavana molemmissa pakkaustyyleissä, ja suorituskyky on sama tasavirrasta 3 GHz:iin molemmissa pakatuissa laitteissa.

Jälleenmyyjä Mouser Electronicsilta saatavissa olevat diskreetit tehotransistorit vaativat tulo- ja lähtöimpedanssin sovittamisen tiettyä sovellusta varten. Ne kykenevät 100 W:n kyllästettyyn CW-lähtötehoon 1 GHz:ssä, 141 W:n tehoon 1,5 GHz:ssä ja 116 W:n tehoon 2,0 GHz:ssä, 16,9 dB:n piensignaalivahvistukseen 1 GHz:ssä ja 17,5 dB:n vahvistukseen 2 GHz:ssä. Transistori tarjoaa korkean hyötysuhteen, josta GaN on tunnettu, ja sen tyhjennyshyötysuhde on 68 % 0,5 GHz:ssä, 56 % 1 GHz:ssä ja 54 % 2 GHz:ssä.

Pakattujen laitteidensa joukossa Creen CGHV14800 GaN HEMT (kuva 1) on yksi suuritehoisimmista saatavilla olevista erillisistä laitteista, ja se on suunnattu pulssitetuille L-taajuusalueen lennonjohto- ja säätutkille 960-1400 MHz:n taajuusalueella. Se toimitetaan kestävässä keraamisessa/metallisessa laippakotelossa, ja se tuottaa 1000 watin lähtötehon 15,5 dB:n tyypillisellä vahvistuksella ja 74 %:n tyypillisellä tyhjennysteholla 1,2 GHz:n taajuudella.

1. Suuritehoiset erilliset GaN-transistorit vaativat kestäviä metalli/keramiikkakoteloita, jotka auttavat haihduttamaan lämpöä, kuten tässä L-kaistan GaN-on-SiC-transistorissa, joka on tarkoitettu L-kaistan sovelluksiin 960-1400 MHz:n taajuusalueella. (Kohteliaisuus: Wolfspeed/Cree)

Ylätaajuusrajallaan +50 V:n tasajännitetransistori tuottaa edelleen 910 W:n lähtötehon ja 15,1 dB:n vahvistuksen 67 %:n tyypillisellä tyhjennyshyötysuhteella 1,4 GHz:ssä. Se pystyy käsittelemään pulssitetun tulotehon tasoja +41 dBm 100μs:n pulsseilla 5 %:n maksimityösyklillä ja kärsii vain -0,3 dB:n pulssin amplitudipudotuksesta koko kaistanleveydellä.

Matalamman jännitteen syöttöä varten Creen malli CGH40180PP on vertaansa vailla oleva GaN-on-SiC HEMT nelijohtimisessa laippakotelossa (kuva 2), joka on suunniteltu käytettäväksi tasajännitteestä 3 GHz:iin +28 V:n tasajännitteellä. Se on tehokas signaalitehon vahvistin matkapuhelininfrastruktuuri- ja testijärjestelmäsovelluksiin, ja se tuottaa 220 W:n tyypillisen kyllästetyn CW-lähtötehon 1,1-1,3 GHz:n taajuusalueella 65 %:n tyypillisellä tyhjennysteholla ja 13 dB:n minimitehon vahvistuksella. Piensignaalivahvistus on tyypillisesti 20 dB 1 GHz:ssä ja 15 dB 2 GHz:ssä.

2. Malli CGH40180PP on vertaansa vailla oleva GaN-on-SiC HEMT nelijohtimisessa laippakotelossa käytettäväksi tasavirrasta 3 GHz:iin +28 V:n tasavirtalähteillä. (Kohteliaisuus: Wolfspeed/Cree)

Nämä ovat tietenkin vain muutamia esimerkkejä GaN- ja GaN-on-SiC-alustojen suuritehoisista RF/mikroaalto-ominaisuuksista. GaN on Si on perusta kasvavalle määrälle tehomuunnos- ja lataustuotteita, joiden avaimia ovat Texas Instrumentsin ja GaN Systemsin kaltaiset yritykset. Texas Instrumentsin integroiduilla ohjaimilla varustetuista +600 V:n tasajännite-GaN-FET:istä on tullut avainkomponentteja monissa teholähde- ja tehomuunnostuotteissa. GaN Systems tarjoaa +650 V:n tasajännitteistä GaN-HEMT-muotoa suuritehoisiin tehomuuntimiin ja moottorikäyttöihin.

GaN tarjoaa suurta signaalitehoa RF- ja mikroaaltotaajuuksilla ja siirtyy todennäköisesti tasaisesti mmWave-taajuusalueelle, kun signaalitehon tarve kasvaa sovelluksissa, kuten langattomassa 5G-soluviestinnässä ja autojen tutkajärjestelmissä.