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Cet article est paru dans Microwaves & RF et a été publié ici avec autorisation.

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Ce que vous apprendrez :

• Quels sont les différents matériaux sont utilisés pour créer des transistors de puissance GaN ?
• L’impact de la chaleur sur les performances.
• Un récapitulatif des transistors GaN RF haute puissance actuellement sur le marché.

La puissance à l’état solide se présente sous de nombreuses formes, bien que la technologie des semi-conducteurs haute fréquence et haute puissance qui connaît la croissance la plus rapide puisse être basée sur le nitrure de gallium (GaN). Les transistors de puissance GaN sont depuis longtemps les blocs de construction des dispositifs actifs pour les amplificateurs de puissance linéaires et comprimés dans les systèmes radar militaires en bandes L et S.

Selon les besoins de conception, les transistors de puissance GaN sont disponibles auprès de nombreux fournisseurs pour une variété d’applications dans les circuits et les systèmes pour l’avionique, l’utilisation commerciale, industrielle, médicale et militaire. Ils exploitent tous les capacités des matériaux semi-conducteurs GaN à large bande interdite pour former des transistors RF/micro-ondes avec une densité de puissance élevée et des niveaux de puissance de sortie élevés dans de petits boîtiers.

Certains transistors de puissance GaN sont disponibles sous forme de puce nue tandis que beaucoup sont fournis dans des boîtiers robustes qui ont une adaptation d’impédance interne pour optimiser la puissance de sortie pour une gamme de fréquences particulière. La couverture de fréquence pour les transistors GaN se rapproche des fréquences d’ondes millimétriques (mmWave) à des niveaux de puissance de sortie inférieurs ; les niveaux de puissance de sortie les plus élevés sont encore pour les signaux pulsés typiquement aux fréquences des bandes L et S.

Les matériaux sont importants

Les transistors de puissance GaN discrets varient en forme et en fonction, même dans les matériaux soutenant la base de matériaux semi-conducteurs GaN. Les matériaux GaN à large bande interdite supportent différentes structures de transistor, telles que les structures de transistor à effet de champ (FET), de transistor bipolaire à hétérojonction (HBT) et de transistor à haute mobilité électronique (HEMT).

Cependant, en raison de la résistance thermique élevée et des capacités limitées de dissipation de puissance du matériau GaN, les semi-conducteurs GaN sont fabriqués sur des substrats présentant une résistance thermique plus faible, notamment le GaN sur silicium (Si), le carbure de silicium (SiC), et même le diamant synthétique. L’utilisation de matériaux en diamant, dont la résistance thermique est la plus faible des trois substrats, est motivée par le financement de la recherche par la DARPA et son programme Near Junction Thermal Transport (NJTT) qui est en place avec plusieurs partenaires depuis plus d’une décennie.

Bien qu’il présente une résistance thermique extrêmement faible, qui contribue à éliminer la chaleur des régions de jonction des semi-conducteurs GaN, le diamant synthétique n’est toujours pas une option de substrat pratique pour les applications grand public/commerciales des dispositifs GaN ou même pour les applications militaires/aérospatiales. Les propriétés thermiques des trois matériaux de substrat sont très différentes, le Si offrant la plus faible dissipation thermique au coût le plus bas et le diamant synthétique la meilleure dissipation thermique au coût le plus élevé. Représentant un compromis pratique entre le coût et les performances thermiques, le SiC est un substrat souvent utilisé pour les transistors GaN discrets de plus forte puissance, notamment ceux destinés aux applications critiques.

Comme mentionné, les transistors de puissance GaN discrets sont disponibles sous forme de puce semi-conductrice et dans divers styles de boîtier, certains avec une adaptation de l’impédance d’entrée et d’entrée/sortie à 50 Ω pour simplifier l’ajout aux circuits RF/micro-ondes. Les dispositifs GaN deviennent plus courants à des fréquences plus basses en tant que dispositifs actifs dans les alimentations et les convertisseurs de puissance à haute tension et dans les applications de charge de batterie.

Les dispositifs discrets sous forme de filière peuvent gérer une large bande qui s’étend presque du dc à 18 GHz, tandis que les filières et les pièces emballées sont disponibles du quasi dc aux fréquences mmWave, bien qu’à des niveaux de puissance de sortie plus faibles aux fréquences croissantes. Le GaN est devenu une technologie d’amplification de puissance bien acceptée dans de nombreuses applications de radar pulsé, notamment pour les amplificateurs de puissance (PA) aux fréquences des bandes C, L et S. Cette technologie est capable d’un gain élevé avec une puissance de sortie élevée. Cette technologie permet d’obtenir un gain élevé avec une faible chute de l’amplitude des impulsions en fonction de la fréquence. Elle offre également une efficacité de drain ou une efficacité à puissance ajoutée (PAE) extrêmement élevée, que ce soit sous forme de puce ou de boîtier.

Combien de puissance de sortie RF/micro-ondes peut-on attendre d’un seul transistor GaN ? Les PA pratiques pour les radars et les amplificateurs de télécommunications combinent généralement plusieurs dispositifs actifs dans les étages d’attaque et de sortie pour atteindre une puissance de sortie de crête/pulsée ou d’onde continue (CW) requise pour une fréquence et une bande passante de conception. Un seul transistor ne sera pas suffisant pour un amplificateur radar. Mais comme des transistors discrets de plus grande puissance deviennent disponibles, moins de dispositifs actifs seront nécessaires pour la puissance de sortie ciblée.

Les problèmes de chaleur

La chaleur est généralement un facteur limitant de la puissance fournie par un seul transistor. Parce que les jonctions semi-conductrices d’un transistor GaN génèrent de la chaleur, en particulier à des niveaux de puissance plus élevés, la chaleur doit être gérée pour assurer une longue durée de vie de fonctionnement du transistor.

La quantité de chaleur générée par un transistor GaN (ou tout autre) sera déterminée par l’efficacité avec laquelle il utilise son alimentation électrique. L’efficacité du drain du transistor fait référence à la quantité ou au pourcentage de puissance continue fournie à l’entrée (drain) d’un transistor qui est disponible comme puissance de signal RF à sa sortie. Les concepteurs d’amplificateurs et autres utilisateurs de transistors peuvent se référer au PAE, qui prend en compte le gain du transistor et la façon dont le circuit de l’amplificateur utilise la puissance appliquée.

Si un rendement de 100% était possible, un transistor pourrait augmenter le niveau de puissance d’un signal d’entrée en fonction du gain du dispositif sans dissiper de chaleur. Mais le rendement du drain n’est jamais de 100% et une partie de la puissance d’entrée et de l’énergie de polarisation sera perdue sous forme de chaleur. Le rendement le plus élevé se traduit par la plus faible quantité de chaleur à dissiper pour un fonctionnement sûr et prolongé du dispositif.

Bien que certains transistors GaN commerciaux présentent une bonne efficacité de drain de 65% et plus, l’énergie appliquée est perdue sous forme de chaleur ; la chaleur doit donc être dissipée pour une durée de vie et des performances optimales du transistor. Les boîtiers à faible résistance thermique peuvent aider à évacuer la chaleur des jonctions d’un transistor.

La quantité de puissance de sortie disponible à partir d’un seul transistor GaN dépendra de la tension d’alimentation (généralement +28, +40 ou +50 V dc), de la taille et de la forme du boîtier et, pour les puces non emballées, de la façon dont elles sont gérées thermiquement sur un circuit d’application. Certains fournisseurs de transistors GaN proposent des semi-conducteurs issus du même processus (par exemple pour une alimentation de +28 V c.c.) dans deux boîtiers différents, généralement des boîtiers robustes à bride en céramique métallique et des boîtiers plus petits à boulonner en céramique métallique. Le compromis de base est la puissance par rapport à la taille, le transistor dans le boîtier plus grand étant capable de fournir plus de puissance de sortie en entourant les jonctions thermiques du transistor d’une plus grande quantité de matériau dissipateur de chaleur.

Recherche d’une source

Les fournisseurs de transistors GaN RF discrets de haute puissance qui peuvent alimenter les systèmes radar pulsés comprennent BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP et Qorvo. La plupart de ces dispositifs discrets sont conçus pour être utilisés à l’une des trois tensions d’alimentation (drain à la source du dispositif) : +28, +40, et +50 V dc.

BeRex, par exemple, propose trois HEMT de puissance GaN-on-SiC dans sa série BCGxxx sous forme de puce pour une utilisation avec des alimentations de +28 V dc. Ce sont des dispositifs à large bande avec une couverture de fréquence totale de dc à 26 GHz qui peuvent être adaptés en impédance dans des circuits amplificateurs pour des applications aux fréquences des bandes C, X, Ku et K. Les trois transistors, modèles BCG002, BCG004 et BCG008, fournissent des niveaux de puissance de sortie saturée de 2, 4 et 8 W, respectivement, à une fréquence de test de 12 GHz, avec un gain supérieur à 8 dB et un PAE de 72 %.

La plupart des fournisseurs de transistors discrets GaN fournissent leurs dispositifs dans des boîtiers de puissance dont l’impédance est adaptée pour un gain élevé sur une plage de fréquence spécifique. Par commodité, certains hébergent même le même semi-conducteur GaN dans plusieurs formats de boîtiers. Par exemple, un HEMT GaN-on-SiC haute puissance d’Integra Technologies qui délivre une puissance de sortie crête de 500 W à 2,856 GHz est disponible dans un boîtier à boulonner (modèle IGN2856S500) et dans un boîtier robuste à monter sur bride (modèle IGN2856S500S).

Les deux versions de transistors emballées sont hermétiquement scellées avec des couvercles en céramique-époxy et fonctionnent avec une tension d’alimentation de +50 V dc. Alors que les brides métalliques ajoutent de la taille par rapport au boîtier boulonné, la quantité de matériau céramique dans les deux boîtiers est la même, les armant de caractéristiques de dissipation thermique similaires.

Chaque dispositif emballé contient des circuits d’adaptation d’impédance aux ports d’entrée et de sortie pour une performance optimale à la fréquence industrielle, scientifique et médicale (ISM) de 2,856 GHz, atteignant une efficacité de drain typique de 60 % avec des impulsions de 12-μs de largeur à un facteur d’utilisation de 3 %. Les transistors de puissance gèrent des niveaux de puissance de signal d’entrée de 25,0 à 39,7 W et fournissent un gain typique de 11,8 dB.

Disponible depuis plusieurs années pour les amplificateurs radar pulsés en bande C, le 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT de Microsemi fournit une puissance de sortie crête de 120 W de 3,9 à 4,2 GHz lorsqu’il est alimenté par une alimentation continue de +50 V. Ce transistor fiable métallisé à l’or est logé dans un boîtier de montage à bride hermétiquement fermé. Lorsqu’il est caractérisé par des impulsions de 200-μs de long à un rapport cyclique de 10 %, il fonctionne avec une efficacité de drain typique de 62 %. Le gain est élevé, typiquement 15,2 dB à 3,9 et 4,2 GHz, avec un faible statisme des impulsions, typiquement -0,15 dB ou mieux.

Pour ceux qui ont besoin d’une plus grande largeur de bande, bien qu’avec beaucoup moins de puissance, le modèle DC35GN-15-Q4 de la même société est un HEMT GaN-on-SiC conçu dans une configuration linéaire de classe AB pour une utilisation dans des applications pulsées et CW de 5 MHz à 3,5 GHz. Sur cette plage de fréquences, il fournit une puissance de sortie typique de 19 W avec des signaux CW ou avec des impulsions aussi larges que 1000 μs à un rapport cyclique de 10%. Fourni dans un boîtier QFN compact à cavité d’air, le transistor discret prend en charge les applications des systèmes de radar et de communication avec une efficacité de drain typique de 66 %. Il est conçu pour une tension d’alimentation de +50-V dc.

Un autre transistor discret GaN-on-SiC large bande à haute puissance, le MMRF5017HS de NXP Semiconductors, est fourni dans un boîtier métal-céramique boulonné avec adaptation de l’impédance d’entrée pour une utilisation de 30 à 2200 MHz. Ce transistor de puissance polyvalent à +50 V c.c. peut traiter des signaux continus et pulsés avec un rendement et un gain élevés. Il fournit une puissance de sortie en ondes entretenues de 125 W et un gain typique de 18 dB avec une efficacité de drain de 59,1 % à 520 MHz et une puissance de sortie en ondes entretenues de 80 W, un gain de 18,4 dB et une efficacité de drain de 44 % à 940 MHz. Testé avec des impulsions de 100-μs à 2200 MHz pour un rapport cyclique de 20 %, il fournit une puissance de sortie de crête de 200 W.

Offrant un peu plus de puissance sur une bande passante plus large et dans un boîtier à bride plus conventionnel, le modèle MMRF5014H de la même société est un transistor GaN discret capable de fonctionner en ondes entretenues et en impulsions de 1 à 2700 MHz. Il présente une puissance de sortie de 125 W en crête et en ondes entretenues à 2500 MHz avec un gain en ondes entretenues de 16 dB et un gain pulsé de 18 dB. L’efficacité du drain est de 64 % ou mieux pour les signaux en continu et pulsés (impulsions de 100-μs à un rapport cyclique de 20 %). Lorsqu’il est testé pour un fonctionnement à large bande, il est capable d’une puissance de sortie CW de 100 W avec un gain de 12 dB de 200 à 2500 MHz, bien que l’efficacité typique du drain chute à 40 %.

Le transistor de puissance discret GaN-on-SiC QPD1029L développé par Qorvo fait partie des transistors de puissance RF GaN à tension la plus élevée, conçus pour une tension d’alimentation de +65 V dc. Son entrée s’adapte à une paire de puces GaN dans un boîtier à bride à quatre broches pour des niveaux de puissance de signal élevés de 1,2 à 1,4 GHz. Idéal pour les applications de radar pulsé en bande L, mais également utile pour renforcer les signaux CW, le dispositif atteint une puissance de sortie de 1500 W avec des impulsions de 300 μs de largeur à un rapport cyclique de 10 %. La puissance de sortie est le résultat d’un gain linéaire de 21,3 dB pour un signal d’entrée à +46,2 dBm. L’efficacité typique du drain à 1,3 GHz est de 62,5 %.

Plusieurs de ces transistors GaN discrets emploient une métallisation en or pour une grande fiabilité et sont prévus pour une tension (d’alimentation) drain-source maximale de +150 V dc. Comme le montrent les exemples, une puissance de sortie de crête significative est possible à partir d’un seul dispositif fonctionnant sur l’une des trois tensions d’alimentation les plus populaires (+28, +40 et +50 V dc) – le fonctionnement à une tension d’alimentation plus élevée n’est pas une garantie de puissance de sortie plus élevée.

En fait, des études de fiabilité utilisant des tests de durée de vie accélérée (par Cree)1 ont révélé que les HEMT GaN-on-SiC géraient différentes tensions d’alimentation de manière égale. Même à la tension d’alimentation la plus élevée (+50 V dc), alors que certains dispositifs présentaient une légère dégradation de la puissance de sortie saturée, peut-être en raison d’un comportement de déverminage, aucune défaillance n’a été constatée lors des tests de durée de vie accélérée des transistors fabriqués avec plusieurs processus GaN-on-SiC différents.

Cree propose le plus large assortiment de transistors discrets GaN-on-SiC, à la fois sous forme de puce et de boîtier. Sous forme de puce, le transistor discret GaN-on-SiC CGHV1J025D fournit une puissance de sortie (saturée) suffisante à 25 W de 10 MHz à 18 GHz pour servir une variété d’applications de communications point à point et par satellite et de radars marins. Testé à +40 V c.c. dans un montage d’essai, le transistor offre un gain à faible signal de 17 dB et un EAP typique de 60 % à 10 GHz. Pour plus de puissance et la même quantité de gain, mais moins de bande passante, la puce de transistor de puissance GaN CGHV60040D de la firme offre une puissance de sortie de 40 W avec 65 % de PAE de dc à 6 GHz et une alimentation de +40 V dc.

Choisissez un boîtier

Afin d’améliorer la flexibilité de la mise en page, Cree abrite un grand nombre de ses transistors GaN-on-SiC discrets dans des boîtiers à pilules avec ou sans bride. Par exemple, le modèle CGHV40100 +50-V dc est proposé dans les deux styles de boîtier avec des niveaux de performance égaux de dc à 3 GHz pour chacun des dispositifs conditionnés.

Les transistors de puissance discrets, disponibles auprès du distributeur Mouser Electronics, nécessitent une adaptation des impédances d’entrée et de sortie pour une application particulière. Ils sont capables d’une puissance de sortie CW saturée de 100 W à 1 GHz, 141 W à 1,5 GHz et 116 W à 2,0 GHz, avec un gain de petit signal de 16,9 dB à 1 GHz et de 17,5 dB à 2 GHz. Le transistor offre le rendement élevé pour lequel le GaN est connu, avec une efficacité de drain de 68 % à 0,5 GHz, 56 % à 1 GHz et 54 % à 2 GHz.

Parmi ses dispositifs conditionnés, le HEMT GaN CGHV14800 de Cree (figure 1) est l’un des dispositifs discrets les plus puissants disponibles, ciblant les radars pulsés de contrôle du trafic aérien et météorologique en bande L de 960 à 1400 MHz. Fourni dans un boîtier robuste à bride céramique/métal, il délivre une puissance de sortie de 1000 W avec un gain typique de 15,5 dB et une efficacité de drain typique de 74 % à 1,2 GHz.

1. Les transistors discrets GaN haute puissance nécessitent des boîtiers métal/céramique robustes pour aider à dissiper la chaleur, comme ceux utilisés avec ce transistor GaN-on-SiC pour les applications en bande L de 960 à 1400 MHz. (Avec l’aimable autorisation de Wolfspeed/Cree)

À sa limite de fréquence supérieure, le transistor +50-V c.c. fournit encore une puissance de sortie de 910 W et un gain de 15,1 dB avec une efficacité de drain typique de 67 % à 1,4 GHz. Il gère des niveaux de puissance d’entrée pulsée à +41 dBm pour des impulsions de 100-μs à un rapport cyclique maximal de 5% et ne souffre que d’un statisme d’amplitude d’impulsion de -0,3 dB sur sa bande passante.

Pour une alimentation à plus faible tension, le modèle CGH40180PP de Cree est un HEMT GaN-on-SiC inégalé dans un boîtier à bride à quatre pattes (figure 2) conçu pour une utilisation de dc à 3 GHz avec une tension de drain de +28 V dc. Un amplificateur de puissance de signal efficace pour les applications d’infrastructure cellulaire et de systèmes de test, il fournit une puissance de sortie CW saturée typique de 220 W de 1,1 à 1,3 GHz avec une efficacité de drain typique de 65 % et un gain de puissance minimum de 13 dB. Le gain de petit signal est typiquement de 20 dB à 1 GHz et de 15 dB à 2 GHz.

2 Le modèle CGH40180PP est un HEMT GaN-on-SiC inégalé dans un boîtier à bride à quatre pattes pour une utilisation de cc à 3 GHz avec des alimentations de +28-V cc. (Avec l’aimable autorisation de Wolfspeed/Cree)

Bien sûr, ceux-ci ne représentent que quelques exemples des capacités RF/micro-ondes de haute puissance des substrats GaN et GaN-on-SiC. Le GaN sur Si est à la base d’un nombre croissant de produits de conversion de puissance et de charge dont les sociétés telles que Texas Instruments et GaN Systems sont les principaux acteurs. Les transistors à effet de champ (FET) en GaN +600 V dc de Texas Instruments avec pilotes intégrés sont devenus des composants clés dans de nombreux produits d’alimentation et de conversion de puissance. GaN Systems propose une filière GaN HEMT +650-V dc pour les convertisseurs de puissance à haute densité de puissance et les commandes de moteur.

Le GaN fournit une puissance de signal élevée aux fréquences RF et micro-ondes et est susceptible de se déplacer régulièrement dans la gamme de fréquences mmWave à mesure que les besoins en puissance de signal augmentent pour des applications telles que les communications cellulaires sans fil 5G et les systèmes de radar automobile.