CPU-k, GPU-k és most már AI-chipek

Ez a cikk a Microwaves & RF-ben jelent meg, és itt engedéllyel jelent meg.

A tagok letölthetik ezt a cikket PDF formátumban.

Mit fogsz megtudni:

• Milyen különböző anyagokat használnak a GaN teljesítménytranzisztorok létrehozásához?
• A hő hatása a teljesítményre.
• A jelenleg forgalomban lévő nagy teljesítményű RF GaN-tranzisztorok áttekintése.

A szilárdtest-teljesítmény sokféle formában létezik, bár a leggyorsabban fejlődő nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű félvezető technológia alapja a gallium-nitrid (GaN) lehet. A GaN teljesítménytranzisztorok már régóta az L- és S-sávú katonai radarrendszerek lineáris és sűrített teljesítményerősítőinek aktív eszköz építőkövei.

A tervezési igényektől függően a GaN teljesítménytranzisztorok számos beszállítótól kaphatók különféle alkalmazásokhoz az avionikai, kereskedelmi, ipari, orvosi és katonai felhasználású áramkörökben és rendszerekben. Mindannyian kihasználják a széles sávszélességű GaN félvezető anyagok képességeit, hogy nagy teljesítménysűrűségű és nagy kimenőteljesítményű RF/mikrohullámú tranzisztorokat alakítsanak ki kis csomagokban.

Egyes GaN teljesítménytranzisztorok csupasz lapkaként kaphatók, míg sokukat robusztus csomagokban szállítják, amelyek belső impedanciaillesztéssel rendelkeznek, hogy optimalizálják a kimenő teljesítményt egy adott frekvenciatartományra. A GaN-tranzisztorok frekvencia-lefedettsége alacsonyabb kimenőteljesítményszinteken megközelíti a milliméterhullámú (mmWave) frekvenciákat; a legnagyobb kimenőteljesítményszintek még mindig az impulzusjelekhez szükségesek, jellemzően az L- és S-sávos frekvenciákon.

Az anyagok számítanak

A GaN diszkrét teljesítménytranzisztorok formájukban és működésükben is különböznek, még a GaN félvezető anyagalapot támogató anyagokban is. A széles sávszélességű GaN anyagok különböző tranzisztorstruktúrákat támogatnak, például a térhatású tranzisztor (FET), a heteroátmenet-bipoláris tranzisztor (HBT) és a nagy elektronmozgékonyságú tranzisztor (HEMT) struktúrákat.

A GaN anyag nagy hőellenállása és korlátozott teljesítményleadó képessége miatt azonban a GaN félvezetőket alacsonyabb hőellenállású szubsztrátokon gyártják, beleértve a GaN-t szilíciumon (Si), szilíciumkarbidon (SiC), sőt szintetikus gyémánton is. A három szubsztrát közül a legalacsonyabb hőellenállással rendelkező gyémánt anyagok használatát a DARPA által finanszírozott kutatás és a több mint egy évtizede több partnerrel együtt zajló Near Junction Thermal Transport (NJTT) programja indokolja.

Noha rendkívül alacsony hőellenállással rendelkezik, ami segíti a hő elvezetését a GaN félvezetők csomóponti régióiból, a szintetikus gyémánt még mindig nem jelent praktikus szubsztrátumot a GaN eszközök fogyasztói/kereskedelmi alkalmazásaihoz vagy akár katonai/űrhajózási alkalmazásokhoz. A három szubsztrátanyag termikus tulajdonságai nagyban különböznek, a Si a legkevesebb hőelvezetést biztosítja a legalacsonyabb költség mellett, a szintetikus gyémánt pedig a legjobb hőelvezetést a legmagasabb költség mellett. A költség és a hőteljesítmény közötti gyakorlati kompromisszumot képviselve a SiC gyakran használt szubsztrátuma a nagyobb teljesítményű diszkrét GaN-tranzisztoroknak, különösen a kritikus fontosságú alkalmazásokhoz.

Amint említettük, a diszkrét GaN teljesítménytranzisztorok félvezető lapkaként és különböző csomagolási módokban kaphatók, némelyikük 50 Ω bemeneti és bemeneti/kimeneti impedanciaillesztéssel, ami egyszerűsíti az RF/mikrohullámú áramkörökhöz való hozzáadást. A GaN-eszközök egyre elterjedtebbek alacsonyabb frekvenciákon, mint aktív eszközök a nagyfeszültségű tápegységekben és teljesítmény-átalakítókban, valamint az akkumulátortöltő alkalmazásokban.

A diszkrét eszközök kockaformában széles sávot tudnak kezelni, amely szinte az egyenfeszültségtől 18 GHz-ig terjed, míg a kocka és a csomagolt alkatrészek a közel egyenfeszültségtől az mmWave frekvenciákig egyaránt elérhetők, bár emelkedő frekvenciákon alacsonyabb kimenőteljesítményszintekkel. A GaN jól elfogadott teljesítményerősítő technológiává vált számos impulzusradar-alkalmazásban, különösen a C-, L- és S-sávos frekvenciájú teljesítményerősítők (PA-k) esetében. A technológia nagy erősítésre képes, és az impulzus amplitúdója a frekvencián keresztül csak kis mértékben csökken. Rendkívül magas lefolyási hatásfokot vagy hozzáadott teljesítmény-hatékonyságot (PAE) is biztosít, akár chipes, akár csomagolt formában.

Mennyi RF/mikrohullámú kimeneti teljesítmény várható egyetlen GaN-tranzisztortól? A radar- és távközlési erősítőkhöz használt gyakorlati PA-k jellemzően több aktív eszközt kombinálnak a meghajtó- és kimeneti fokozatokban, hogy elérjék a kívánt csúcs/pulzált vagy folyamatos hullámú (CW) kimeneti teljesítményt a tervezési frekvenciához és sávszélességhez. Egyetlen tranzisztor nem elegendő egy radarerősítőhöz. De ahogy a nagyobb teljesítményű diszkrét tranzisztorok elérhetővé válnak, kevesebb aktív eszközre lesz szükség a megcélzott kimeneti teljesítmény eléréséhez.

Hőproblémák

A hő általában korlátozó tényező az egyetlen tranzisztor által nyújtott teljesítményben. Mivel a GaN-tranzisztor félvezető-összeköttetései hőt termelnek, különösen nagyobb teljesítményszinteken, a hőt kezelni kell a tranzisztor hosszú élettartamának biztosítása érdekében.

A GaN (vagy bármely más) tranzisztor által termelt hő mennyiségét az határozza meg, hogy milyen hatékonyan használja a tápellátását. A tranzisztor drain-hatékonysága a tranzisztor bemenetén (drain) szolgáltatott egyenáramú teljesítménynek azt a mennyiségét vagy százalékát jelenti, amely a tranzisztor kimenetén RF jelteljesítményként áll rendelkezésre. Az erősítők tervezői és a tranzisztorok egyéb felhasználói hivatkozhatnak a PAE-re, amely figyelembe veszi a tranzisztor erősítését és azt, hogy az erősítő áramköre mennyire jól használja fel az alkalmazott teljesítményt.

Ha 100%-os hatásfok lenne lehetséges, akkor egy tranzisztor az eszköz erősítésének függvényében növelhetné a bemeneti jel teljesítményszintjét anélkül, hogy hőleadásra kerülne sor. A lefolyási hatásfok azonban soha nem 100%-os, és a bemeneti teljesítmény és az előfeszítés energiájának egy része hő formájában elvész. A legmagasabb hatásfok a legkisebb hőmennyiséget eredményezi, amelyet az eszköz biztonságos és tartós működéséhez el kell vezetni.

Noha néhány kereskedelmi forgalomban kapható GaN-tranzisztor jó, 65%-os vagy annál magasabb drain-hatékonysággal rendelkezik, az alkalmazott energia hő formájában elvész; ezért a hőt el kell vezetni a tranzisztor optimális élettartama és teljesítménye érdekében. Az alacsony hőellenállással rendelkező csomagok segíthetnek a hő elvezetésében a tranzisztor csomópontjaitól.

Az egyetlen GaN-tranzisztorból elérhető kimeneti teljesítmény mennyisége függ a tápfeszültségtől (jellemzően +28, +40 vagy +50 V egyenfeszültség), a csomag méretétől és alakjától, valamint a csomagolatlan die-k esetében attól, hogy mennyire jól kezelik őket termikusan az alkalmazási áramkörben. Néhány GaN-tranzisztorszállító ugyanabból az eljárásból származó félvezetőket (például +28 V-os egyenáramú tápellátáshoz) két különböző csomagolásban kínál, jellemzően robusztus fémkerámia karimás és kisebb “lecsavarozható” fémkerámia csomagokban. Az alapvető kompromisszum a teljesítmény és a méret aránya: a nagyobb csomagban lévő tranzisztor nagyobb kimeneti teljesítményt tud leadni azáltal, hogy a tranzisztor termikus csomópontjait nagyobb mennyiségű hőelvezető anyaggal veszi körül.

Forrás keresése

A nagy teljesítményű, impulzusos radarrendszerek ellátására alkalmas diszkrét RF GaN-tranzisztorok szállítói közé tartozik a BeRex, a Cree, az Integra Technologies, a Microsemi, az NXP és a Qorvo. A legtöbb ilyen diszkrét eszközt háromféle tápfeszültség (az eszköz lefolyó és forrás közötti feszültség) egyikén való használatra tervezték: +28, +40 és +50 V egyenfeszültség.

A BeRex például három GaN-on-SiC teljesítmény HEMT-et kínál a BCGxxx sorozatában a +28 V-os egyenáramú tápfeszültséggel való használatra. Ezek szélessávú eszközök, amelyek teljes frekvencia-lefedettsége egyenfeszültségtől 26 GHz-ig terjed, és amelyek impedancia-illesztésre alkalmasak erősítő áramkörökben a C-, X-, Ku- és K-sávos frekvenciákon történő alkalmazásokhoz. A három tranzisztor, a BCG002, BCG004 és BCG008 típusok 2, 4 és 8 W-os telített kimeneti teljesítményszintet biztosítanak 12 GHz-es tesztfrekvencián, 8 dB-nél jobb erősítéssel és 72%-os PAE-vel.

A legtöbb GaN diszkrét tranzisztorszállító olyan teljesítménycsomagokban kínálja az eszközeit, amelyek impedancia-illesztéssel rendelkeznek, hogy egy adott frekvenciatartományban nagy erősítést érjenek el. A kényelem érdekében egyesek ugyanazt a GaN félvezetőt többféle csomagolási formátumban is elhelyezik. Például az Integra Technologies nagy teljesítményű GaN-on-SiC HEMT-je, amely 2,856 GHz-en 500 W kimeneti csúcsteljesítményt nyújt, kapható csavaros (IGN2856S500 modell) és nagy teherbírású karimára szerelhető csomagban (IGN2856S500S modell).

Mindkét csomagolt tranzisztoros változat hermetikusan zárt, kerámia-epoxi fedéllel, és +50 V egyenfeszültségű tápfeszültséggel működik. Míg a fémperemek a csavarral szerelt csomaghoz képest növelik a méretet, a kerámiaanyag mennyisége mindkét csomagban azonos, ami hasonló hőelvezetési jellemzőkkel ruházza fel őket.

Minden csomagolt eszköz impedancia-illesztő áramköröket tartalmaz a bemeneti és kimeneti portokon az optimális teljesítmény érdekében a 2,856 GHz-es ipari, tudományos és orvosi (ISM) frekvencián, 60%-os tipikus lefolyási hatékonyságot elérve 12μs széles impulzusokkal, 3%-os kitöltési tényezővel. A teljesítménytranzisztorok 25,0 és 39,7 W közötti bemeneti jelteljesítményszinteket kezelnek, és 11,8 dB tipikus erősítést biztosítanak.

A Microsemi 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT-je már több éve elérhető a C-sávú impulzusos radarerősítőkhöz, és +50 V-os egyenáramú tápegységről táplálva 120 W csúcs kimeneti teljesítményt biztosít 3,9 és 4,2 GHz között. A megbízható arany-metalizált tranzisztor egy hermetikusan lezárt, karimára szerelhető házban található. Ha 200μs hosszúságú impulzusokkal jellemezzük 10%-os munkaszünet mellett, akkor 62%-os tipikus drain hatásfokkal működik. Az erősítés magas, jellemzően 15,2 dB 3,9 és 4,2 GHz-en, kis impulzushullámzással, jellemzően -0,15 dB vagy annál jobb.

A nagyobb sávszélességet igénylők számára, bár jóval kisebb teljesítmény mellett, ugyanennek a vállalatnak a DC35GN-15-Q4 modellje egy GaN-on-SiC HEMT, amelyet AB osztályú lineáris konfigurációban terveztek 5 MHz és 3,5 GHz közötti impulzusos és CW alkalmazásokhoz egyaránt. Ebben a frekvenciatartományban 19 W tipikus kimeneti teljesítményt biztosít CW jelekkel vagy akár 1000 μs széles impulzusokkal 10%-os munkaciklus mellett. A kompakt, légterű QFN-csomagban szállított diszkrét tranzisztor támogatja a radar- és kommunikációs rendszeralkalmazásokat, jellemzően 66%-os lefolyási hatékonysággal. +50 V-os egyenáramú tápfeszültségre tervezték.

Egy másik széles sávú, nagy teljesítményű GaN-on-SiC diszkrét tranzisztor, az MMRF5017HS az NXP Semiconductors-tól, 30 és 2200 MHz közötti használatra alkalmas, csavarozható fémkerámia házban, bemeneti impedanciaillesztéssel. A sokoldalú +50 V-os egyenáramú teljesítménytranzisztor nagy hatékonysággal és erősítéssel képes CW és impulzusjelek kezelésére. 520 MHz-en 125 W CW kimenőteljesítményt és 18 dB tipikus erősítést biztosít 59,1%-os drain-hatékonysággal, 940 MHz-en pedig 80 W CW kimenőteljesítményt, 18,4 dB-es erősítést és 44%-os drain-hatékonyságot. A 2200 MHz-es, 100 μs-os impulzusokkal, 20%-os munkaciklus mellett végzett tesztek során 200 W-os kimeneti csúcsteljesítményt biztosít.

Az MMRF5014H típus egy diszkrét GaN-tranzisztor, amely valamivel nagyobb teljesítményt nyújt szélesebb sávszélességen és hagyományosabb, karimára szerelhető házban, és amely 1 és 2700 MHz közötti CW és impulzusüzemre képes. A 2500 MHz-en 125 W-os csúcs- és CW kimeneti teljesítményt biztosít 16 dB-es CW-erősítéssel és 18 dB-es impulzuserősítéssel. A lefolyási hatásfok 64% vagy jobb mind CW, mind impulzusjelek (100μs-os impulzusok 20%-os munkaszünet mellett) esetén. Széles sávú működésre tesztelve 100 W CW kimenőteljesítményre képes 12 dB-es erősítéssel 200 és 2500 MHz között, bár a tipikus drain hatásfok 40%-ra csökken.

A Qorvo által kifejlesztett QPD1029L diszkrét GaN-on-SiC teljesítménytranzisztor a legnagyobb feszültségű GaN RF teljesítménytranzisztorok közé tartozik, +65 V egyenfeszültségű tápfeszültségre tervezve. Bemenete egy négyvezetékes karimás házban elhelyezett GaN-párhoz illeszkedik, 1,2 és 1,4 GHz közötti magas jelteljesítményszintekhez. Az eszköz ideális az L-sávú impulzusos radaralkalmazásokhoz, de hasznos a CW-jelek erősítéséhez is. 1500 W kimeneti teljesítményt ér el 300μs széles impulzusokkal, 10%-os munkaszünet mellett. A kimeneti teljesítmény a +46,2 dBm-es bemeneti jel 21,3 dB-es lineáris erősítésének eredménye. A tipikus lefolyási hatásfok 1,3 GHz-en 62,5%.

A diszkrét GaN-tranzisztorok nagy része arany metálozást alkalmaz a nagy megbízhatóság érdekében, és +150 V egyenáramú maximális drain-source (tápfeszültség) feszültségre van méretezve. Amint a példák mutatják, a három legnépszerűbb tápfeszültség (+28, +40 és +50 V egyenfeszültség) bármelyikén működő egyetlen eszközzel jelentős kimeneti csúcsteljesítmény érhető el – a magasabb tápfeszültségen való működés nem garantálja a nagyobb kimeneti teljesítményt.

Valójában a gyorsított élettartam-vizsgálatokkal végzett megbízhatósági vizsgálatok (a Cree által)1 kimutatták, hogy a GaN-on-SiC HEMT-k egyformán jól kezelik a különböző tápfeszültségeket. Még a legmagasabb tápfeszültségen (+50 V egyenfeszültség) is, míg néhány eszközön a telített kimeneti teljesítmény enyhe romlását tapasztalták, ami valószínűleg a beégési viselkedésnek tudható be, a több különböző GaN-on-SiC eljárással gyártott tranzisztorok gyorsított élettartam-vizsgálata során nem találtak meghibásodást.

A Cree kínálja a GaN-on-SiC diszkrét tranzisztorok legszélesebb választékát, mind a die, mind a csomagolt változatokban. A CGHV1J025D diszkrét GaN-on-SiC tranzisztor die formában elegendő (telített) kimeneti teljesítményt biztosít 25 W-on 10 MHz és 18 GHz között a különböző pont-pont és műholdas kommunikációs és tengeri radaralkalmazások kiszolgálásához. A tranzisztor +40 V egyenfeszültségen tesztelve egy tesztberendezésben 17 dB kisjel-erősítést és 60%-os tipikus PAE-t eredményez 10 GHz-en. Nagyobb teljesítmény és ugyanekkora erősítés, de kisebb sávszélesség esetén a cég CGHV60040D GaN teljesítménytranzisztor-formája 40 W kimeneti teljesítményt biztosít 65%-os PAE-vel egyenfeszültségtől 6 GHz-ig, +40 V-os egyenáramú tápfeszültség mellett.

Válasszon egy csomagot

Az elrendezés rugalmassága érdekében a Cree számos diszkrét GaN-on-SiC tranzisztorát karimás és karima nélküli pillecsomagokban helyezi el. Például a +50 V-os egyenáramú CGHV40100 modell mindkét csomagolási stílusban kapható, és mindegyik csomagolt eszköz teljesítményszintje azonos egyenáramú és 3 GHz-es tartományban.

A Mouser Electronics forgalmazótól kapható diszkrét teljesítménytranzisztorok az adott alkalmazáshoz bemeneti és kimeneti impedancia-illesztést igényelnek. Képesek 100 W-os telített CW kimeneti teljesítményre 1 GHz-en, 141 W-ra 1,5 GHz-en és 116 W-ra 2,0 GHz-en, 16,9 dB-es kisjelerősítéssel 1 GHz-en és 17,5 dB-es erősítéssel 2 GHz-en. A tranzisztor a GaN-ről ismert magas hatásfokot nyújtja: 0,5 GHz-en 68%-os, 1 GHz-en 56%-os, 2 GHz-en pedig 54%-os lefolyási hatásfokkal.

A csomagolt eszközök közül a Cree CGHV14800 GaN HEMT (1. ábra) az egyik legnagyobb teljesítményű diszkrét eszköz, amely a 960 és 1400 MHz közötti impulzusos L-sávú légiforgalmi irányító és időjárási radarokat célozza. A robusztus kerámia/fém karimás készülékházban szállított 1000 W kimenő teljesítményt nyújt 15,5 dB tipikus erősítéssel és 74%-os tipikus lefolyási hatásfokkal 1,2 GHz-en.

1. A nagy teljesítményű GaN diszkrét tranzisztorok robusztus fém/kerámia csomagokat igényelnek a hőelvezetés elősegítése érdekében, mint például ez az L-sávú GaN-on-SiC tranzisztor a 960 és 1400 MHz közötti L-sávú alkalmazásokhoz. (A Wolfspeed/Cree jóvoltából)

A felső frekvenciahatárán a +50 V-os egyenáramú tranzisztor 1,4 GHz-en még mindig 910 W kimenő teljesítményt és 15,1 dB erősítést biztosít 67%-os tipikus drain-hatékonysággal. Az impulzusos bemeneti teljesítményszinteket +41 dBm-en kezeli 100μs-os impulzusok esetén 5%-os maximális munkaszünet mellett, és a sávszélességen belül csak -0,3 dB impulzusamplitúdó-csökkenést szenved el.

A Cree CGH40180PP modellje alacsonyabb feszültségű tápellátáshoz egy páratlan GaN-on-SiC HEMT négyvezetékes karimás házban (2. ábra), amelyet egyenfeszültségtől 3 GHz-ig, +28 V egyenáramú lefolyófeszültséggel való használatra terveztek. Hatékony jelteljesítmény-erősítő a cellás infrastruktúra és a tesztrendszerek alkalmazásaihoz, 220 W tipikus telített CW kimeneti teljesítményt biztosít 1,1 és 1,3 GHz között, 65%-os tipikus drain hatékonysággal és 13 dB minimális teljesítmény-erősítéssel. A kisjelerősítés jellemzően 20 dB 1 GHz-en és 15 dB 2 GHz-en.

2. A CGH40180PP modell egy páratlan GaN-on-SiC HEMT négyvezetékes karimacsomagolásban, amely egyenfeszültségtől 3 GHz-ig használható +28 V-os egyenáramú tápegységekkel. (A Wolfspeed/Cree jóvoltából)

Ez természetesen csak néhány példa a GaN és a GaN-on-SiC szubsztrátumok nagy teljesítményű RF/mikrohullámú képességeire. A GaN on Si egyre több teljesítményátalakító és töltő termék alapját képezi, amelyek kulcsa olyan vállalatok, mint a Texas Instruments és a GaN Systems. A Texas Instruments integrált meghajtókkal ellátott +600 V-os egyenáramú GaN FET-jei számos tápegység- és teljesítményátalakító termék kulcsfontosságú elemeivé váltak. A GaN Systems egy +650 V-os egyenáramú GaN HEMT lapkát kínál nagy teljesítménysűrűségű tápátalakítókhoz és motorhajtásokhoz.

A GaN nagy jelteljesítményt biztosít RF- és mikrohullámú frekvenciákon, és valószínűleg egyre inkább a mmWave frekvenciatartományba kerül, ahogy a jelteljesítményigények növekednek az olyan alkalmazásokban, mint az 5G vezeték nélküli cellás kommunikáció és az autóipari radarrendszerek.