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Questo articolo è apparso su Microwaves & RF ed è stato pubblicato qui con l’autorizzazione.

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Cosa imparerai:

• Quali sono i diversi materiali sono utilizzati nella creazione di transistor di potenza GaN?
• L’impatto del calore sulle prestazioni.
• Una panoramica dei transistor GaN RF ad alta potenza attualmente sul mercato.

La potenza allo stato solido si presenta in molte forme, anche se la tecnologia dei semiconduttori ad alta frequenza e ad alta potenza in più rapida crescita può essere basata sul nitruro di gallio (GaN). I transistor di potenza GaN sono stati a lungo gli elementi costitutivi dei dispositivi attivi per gli amplificatori di potenza lineari e compressi nei sistemi radar militari in banda L e S.

A seconda delle esigenze di progettazione, i transistor di potenza GaN sono disponibili da molti fornitori per una varietà di applicazioni in circuiti e sistemi per uso avionico, commerciale, industriale, medico e militare. Tutti sfruttano le capacità dei materiali semiconduttori GaN ad ampio bandgap per formare transistor RF/microonde con alta densità di potenza e alti livelli di potenza di uscita in piccoli pacchetti.

Alcuni transistor di potenza GaN sono disponibili come dado nudo, mentre molti sono forniti all’interno di pacchetti robusti che hanno una corrispondenza di impedenza interna per ottimizzare la potenza di uscita per una particolare gamma di frequenza. La copertura di frequenza per i transistor GaN si sta avvicinando alle frequenze delle onde millimetriche (mmWave) a livelli di potenza di uscita più bassi; i livelli di potenza di uscita più alti sono ancora per i segnali pulsati tipicamente alle frequenze di banda L e S.

I materiali contano

I transistor di potenza GaN discreti variano nella forma e nella funzione, anche nei materiali che supportano la base del materiale semiconduttore GaN. I materiali GaN ad ampio bandgap supportano diverse strutture di transistor, come i transistor ad effetto di campo (FET), i transistor eterojunction-bipolari (HBT) e i transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT).

Tuttavia, a causa dell’alta resistenza termica e delle limitate capacità di dissipazione della potenza del materiale GaN, i semiconduttori GaN sono fabbricati su substrati con una resistenza termica inferiore, tra cui GaN su silicio (Si), carburo di silicio (SiC) e persino diamante sintetico. L’uso di materiali in diamante, con la più bassa resistenza termica dei tre substrati, è motivato dal finanziamento della ricerca da parte di DARPA e dal suo programma Near Junction Thermal Transport (NJTT) che è stato in atto con diversi partner per oltre un decennio.

Anche se ha una resistenza termica estremamente bassa, che aiuta a rimuovere il calore dalle regioni di giunzione dei semiconduttori GaN, il diamante sintetico non è ancora un’opzione pratica di substrato per applicazioni consumer/commerciali di dispositivi GaN o anche per applicazioni militari/aerospaziali. Le proprietà termiche dei tre materiali di substrato sono molto diverse, con il Si che fornisce la minore dissipazione di calore al costo più basso e il diamante sintetico la migliore dissipazione termica al costo più alto. Rappresentando un compromesso pratico tra costo e prestazioni termiche, il SiC è un substrato spesso utilizzato per i transistor GaN discreti a più alta potenza, specialmente quelli destinati ad applicazioni mission-critical.

Come menzionato, i transistor di potenza GaN discreti sono disponibili come die di semiconduttori e in vari stili di pacchetti, alcuni con corrispondenza dell’impedenza di ingresso e ingresso/uscita a 50 Ω per semplificare l’aggiunta ai circuiti RF/microonde. I dispositivi GaN stanno diventando più comuni a frequenze più basse come dispositivi attivi in alimentatori e convertitori di potenza ad alta tensione e in applicazioni di ricarica delle batterie.

I dispositivi discreti in forma di die possono gestire la banda larga che si estende quasi da dc a 18 GHz, mentre sia i die che le parti confezionate sono disponibili da quasi dc a frequenze mmWave, anche se a livelli di potenza di uscita inferiori a frequenze crescenti. Il GaN è diventato una tecnologia di amplificazione di potenza ben accettata in molte applicazioni radar pulsate, in particolare per gli amplificatori di potenza (PA) a frequenze di banda C, L e S. La tecnologia è capace di un alto guadagno con poca caduta dell’ampiezza dell’impulso attraverso la frequenza. Fornisce anche un’efficienza di scarico estremamente alta o un’efficienza aggiunta alla potenza (PAE) sia in forma di chip che di pacchetto.

Quanta potenza di uscita RF/microonde ci si può aspettare da un singolo transistor GaN? I PA pratici per radar e amplificatori per telecomunicazioni tipicamente combinano più dispositivi attivi negli stadi di driver e di uscita per ottenere un picco richiesto/pulsato o una potenza di uscita in onda continua (CW) per una frequenza e una larghezza di banda di progetto. Un singolo transistor non sarà sufficiente per un amplificatore radar. Ma man mano che diventano disponibili transistor discreti di maggiore potenza, saranno necessari meno dispositivi attivi per la potenza di uscita desiderata.

Problemi con il calore

Il calore è solitamente un fattore limitante nella potenza fornita da un singolo transistor. Poiché le giunzioni a semiconduttore di un transistor GaN generano calore, specialmente a livelli di potenza più alti, il calore deve essere gestito per assicurare una lunga vita operativa del transistor.

La quantità di calore generato da un transistor GaN (o qualsiasi altro) sarà determinato da quanto efficientemente utilizza la sua alimentazione. L’efficienza di drenaggio del transistor si riferisce alla quantità o alla percentuale di potenza continua fornita all’ingresso (drenaggio) di un transistor che è disponibile come potenza del segnale RF alla sua uscita. I progettisti di amplificatori e altri utenti di transistor possono fare riferimento al PAE, che considera il guadagno del transistor e quanto bene il circuito dell’amplificatore utilizza la potenza applicata.

Se il 100% di efficienza fosse possibile, un transistor potrebbe aumentare il livello di potenza di un segnale in ingresso in funzione del guadagno del dispositivo senza dissipare alcun calore. Ma l’efficienza di scarico non è mai al 100% e una parte della potenza d’ingresso e dell’energia di polarizzazione sarà persa come calore. La massima efficienza si traduce nella minore quantità di calore che deve essere dissipata per un funzionamento sicuro e prolungato del dispositivo.

Anche se alcuni transistor GaN commerciali hanno una buona efficienza di drenaggio del 65% e più, l’energia applicata si perde come calore; quindi, il calore deve essere dissipato per una durata e prestazioni ottimali del transistor. I pacchetti con bassa resistenza termica possono aiutare a far fluire il calore lontano dalle giunzioni di un transistor.

La quantità di potenza di uscita disponibile da un singolo transistor GaN dipenderà dalla tensione di alimentazione (tipicamente +28, +40, o +50 V dc), dalle dimensioni e dalla forma del pacchetto e, per i die non imballati, da quanto bene sono gestiti termicamente in un circuito applicativo. Alcuni fornitori di transistor GaN offrono semiconduttori dallo stesso processo (come per un’alimentazione a +28 V c.c.) in due diversi pacchetti, tipicamente robusti pacchetti con montaggio a flangia in metallo-ceramica e più piccoli pacchetti in metallo-ceramica “bolt-down”. Il compromesso di base è la potenza per le dimensioni, con il transistor nel pacchetto più grande in grado di fornire più potenza in uscita circondando le giunzioni termiche del transistor con una maggiore quantità di materiale che dissipa il calore.

Cercando una fonte

I fornitori di transistor discreti RF GaN ad alta potenza che possono alimentare sistemi radar a impulsi includono BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP e Qorvo. La maggior parte di questi dispositivi discreti sono progettati per l’uso a una delle tre tensioni di alimentazione (dispositivo drain-to-source): +28, +40 e +50 V dc.

BeRex, per esempio, offre tre HEMT di potenza GaN-on-SiC nella sua serie BCGxxx in forma di die per l’uso con alimentazioni a +28 V dc. Questi sono dispositivi a banda larga con copertura di frequenza totale da dc a 26 GHz che possono essere accoppiati all’impedenza all’interno di circuiti di amplificazione per applicazioni a frequenze in banda C, X, Ku e K. I tre transistor, modelli BCG002, BCG004 e BCG008, forniscono livelli di potenza di uscita saturati di 2, 4 e 8 W, rispettivamente, a una frequenza di test di 12 GHz, con un guadagno migliore di 8 dB e un PAE del 72%.

La maggior parte dei fornitori di transistor discreti GaN forniscono i loro dispositivi all’interno di pacchetti di potenza che sono adattati all’impedenza per un alto guadagno in una gamma di frequenza specifica. Per comodità, alcuni ospitano anche lo stesso semiconduttore GaN all’interno di più formati di pacchetti. Per esempio, un HEMT GaN-on-SiC ad alta potenza di Integra Technologies che offre una potenza di uscita di picco di 500 W a 2,856 GHz è disponibile in un pacchetto imbullonato (modello IGN2856S500) e in un pacchetto con montaggio a flangia per carichi pesanti (modello IGN2856S500S).

Entrambe le versioni di transistor confezionati sono sigillate ermeticamente con coperchi in ceramica epossidica e funzionano con una tensione di alimentazione di +50 V dc. Mentre le flange metalliche aggiungono dimensioni rispetto al pacchetto bolt-down, la quantità di materiale ceramico in entrambi i pacchetti è la stessa, dotandoli di caratteristiche di dissipazione termica simili.

Ogni dispositivo confezionato contiene circuiti di accoppiamento dell’impedenza alle porte di ingresso e uscita per prestazioni ottimali alla frequenza industriale, scientifica e medica (ISM) di 2,856 GHz, raggiungendo il 60% di efficienza di scarico tipica con impulsi di 12 μs di larghezza al 3% di fattore di dovere. I transistor di potenza gestiscono livelli di potenza del segnale d’ingresso da 25,0 a 39,7 W e forniscono un guadagno tipico di 11,8 dB.

Disponibile da diversi anni per gli amplificatori radar pulsati in banda C, il 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT di Microsemi fornisce una potenza di uscita di picco di 120 W da 3,9 a 4,2 GHz quando è alimentato da un’alimentazione +50-V dc. L’affidabile transistor metallizzato in oro è alloggiato in un pacchetto a montaggio flangiato ermeticamente sigillato. Se caratterizzato con impulsi lunghi 200μs al 10% di duty cycle, funziona con un’efficienza di drenaggio tipica del 62%. Il guadagno è elevato, tipicamente 15,2 dB a 3,9 e 4,2 GHz, con poco pulse droop, tipicamente -0,15 dB o meglio.

Per coloro che richiedono una larghezza di banda più ampia, anche se con molta meno potenza, il modello DC35GN-15-Q4 della stessa azienda è un HEMT GaN-on-SiC progettato in una configurazione lineare di classe AB per l’uso in applicazioni sia pulsate che CW da 5 MHz a 3,5 GHz. In questa gamma di frequenza, fornisce una potenza di uscita tipica di 19 W con segnali CW o con impulsi di 1000 μs al 10% di duty cycle. Fornito in un pacchetto compatto QFN a cavità d’aria, il transistor discreto supporta applicazioni per radar e sistemi di comunicazione con un’efficienza di scarico tipica del 66%. È progettato per una tensione di alimentazione di +50 V dc.

Un altro transistor discreto GaN-on-SiC ad alta potenza a banda larga, il MMRF5017HS di NXP Semiconductors, è fornito in un contenitore metallico-ceramico bolt-down con corrispondenza dell’impedenza di ingresso per l’uso da 30 a 2200 MHz. Il versatile transistor di potenza +50-V dc può gestire segnali CW e pulsati con alta efficienza e guadagno. Fornisce una potenza di uscita CW di 125 W e un guadagno tipico di 18 dB con un’efficienza di scarico del 59,1% a 520 MHz e una potenza di uscita CW di 80 W, un guadagno di 18,4 dB e un’efficienza di scarico del 44% a 940 MHz. Quando testato con 2200-MHz, impulsi di 100-μs per un duty cycle del 20%, fornisce una potenza di uscita di picco di 200 W.

Offrendo una potenza leggermente maggiore su una larghezza di banda più ampia e in un pacchetto più convenzionale con montaggio a flangia, il modello MMRF5014H della stessa azienda è un transistor GaN discreto capace di funzionamento CW e pulsato da 1 a 2700 MHz. Ha una potenza di uscita di picco e CW di 125 W a 2500 MHz con un guadagno CW di 16 dB e un guadagno pulsato di 18 dB. L’efficienza di drenaggio è del 64% o meglio per entrambi i segnali CW e pulsati (impulsi da 100 μs al 20% di duty cycle). Quando è stato testato per il funzionamento a banda larga, è capace di una potenza di uscita CW di 100 W con un guadagno di 12 dB da 200 a 2500 MHz, anche se l’efficienza di scarico tipica scende al 40%.

Il transistor di potenza QPD1029L discreto GaN-on-SiC sviluppato da Qorvo è tra i transistor di potenza GaN RF ad alta tensione, progettato per una tensione di alimentazione di +65 V dc. Il suo ingresso corrisponde a una coppia di die GaN all’interno di un pacchetto flangiato a quattro conduttori per alti livelli di potenza del segnale da 1,2 a 1,4 GHz. Ideale per applicazioni radar a impulsi in banda L, ma anche utile per potenziare i segnali CW, il dispositivo raggiunge una potenza di uscita di 1500 W con impulsi larghi 300 μs al 10% di duty cycle. La potenza di uscita è il risultato di un guadagno lineare di 21,3 dB per un segnale di ingresso a +46,2 dBm. L’efficienza tipica di scarico a 1,3 GHz è del 62,5%.

Molti di questi transistor GaN discreti impiegano una metallizzazione in oro per un’alta affidabilità e sono classificati per una tensione massima di drenaggio-sorgente (alimentazione) di +150 V dc. Come mostrano gli esempi, una significativa potenza di uscita di picco è possibile da un singolo dispositivo che funziona su una qualsiasi delle tre tensioni di alimentazione più popolari (+28, +40 e +50 V dc) – il funzionamento a una tensione di alimentazione più alta non garantisce una maggiore potenza di uscita.

In effetti, gli studi di affidabilità che utilizzano test di vita accelerati (da Cree)1 hanno rivelato che gli HEMT GaN-on-SiC hanno gestito ugualmente bene diverse tensioni di alimentazione. Anche alla tensione di alimentazione più alta (+50 V dc), mentre alcuni dispositivi hanno mostrato una leggera degradazione della potenza di uscita satura, probabilmente a causa del comportamento di burn-in, non sono stati riscontrati guasti durante i test di vita accelerata dei transistor fabbricati con diversi processi GaN-on-SiC.

Cree offre il più ampio assortimento di transistor discreti GaN-on-SiC, sia in versione die che confezionata. Sotto forma di die, il transistor discreto GaN-on-SiC CGHV1J025D fornisce abbastanza potenza di uscita (saturata) a 25 W da 10 MHz a 18 GHz per servire una varietà di comunicazioni point-to-point e satellitari e applicazioni radar marine. Quando testato a +40 V dc in un apparecchio di prova, il transistor produce 17 dB di guadagno a piccolo segnale e il 60% di PAE tipico a 10 GHz. Per una maggiore potenza e la stessa quantità di guadagno, ma meno larghezza di banda, il transistor di potenza CGHV60040D GaN dell’azienda offre una potenza di uscita di 40 W con il 65% PAE da dc a 6 GHz e un’alimentazione a +40 V dc.

Scegli un pacchetto

Per quanto riguarda la flessibilità del layout, Cree ospita molti dei suoi transistor GaN-on-SiC discreti in pacchetti di pillole flangiate e senza flange. Per esempio, il modello CGHV40100 a +50 V dc è disponibile in entrambi gli stili di pacchetti con livelli di prestazioni uguali da dc a 3 GHz per ciascuno dei dispositivi confezionati.

I transistor di potenza discreti, disponibili presso il distributore Mouser Electronics, richiedono la corrispondenza dell’impedenza di ingresso e uscita per una particolare applicazione. Sono capaci di una potenza di uscita CW satura di 100 W a 1 GHz, 141 W a 1,5 GHz e 116 W a 2,0 GHz, con un guadagno di piccolo segnale di 16,9 dB a 1 GHz e 17,5 dB a 2 GHz. Il transistor fornisce l’alta efficienza per cui il GaN è noto, con un’efficienza di scarico del 68% a 0,5 GHz, 56% a 1 GHz e 54% a 2 GHz.

Tra i dispositivi confezionati, il CGHV14800 GaN HEMT di Cree (Fig. 1) è uno dei dispositivi discreti a più alta potenza disponibili, destinato al controllo del traffico aereo in banda L pulsata e ai radar meteorologici da 960 a 1400 MHz. Fornito in un robusto pacchetto con flangia in ceramica/metallo, fornisce una potenza di uscita di 1000 W con un guadagno tipico di 15,5 dB e un’efficienza di scarico tipica del 74% a 1,2 GHz.

1. I transistor discreti GaN ad alta potenza richiedono robusti pacchetti in metallo/ceramica per aiutare a dissipare il calore, come quelli utilizzati con questo transistor GaN-on-SiC per applicazioni in banda L da 960 a 1400 MHz. (Per gentile concessione di Wolfspeed/Cree)

Al suo limite superiore di frequenza, il transistor +50-V dc fornisce ancora 910 W di potenza di uscita e 15,1 dB di guadagno con il 67% di efficienza tipica di scarico a 1,4 GHz. Gestisce livelli di potenza d’ingresso pulsata a +41 dBm per impulsi di 100-μs al 5% di duty cycle massimo e soffre solo -0,3 dB di caduta di ampiezza dell’impulso in tutta la sua larghezza di banda.

Per un’alimentazione a bassa tensione, il modello CGH40180PP di Cree è un impareggiabile HEMT GaN-on-SiC in un pacchetto flangiato a quattro conduttori (Fig. 2) progettato per l’uso da dc a 3 GHz con tensione di scarico di +28 V dc. Un efficace amplificatore di potenza del segnale per l’infrastruttura cellulare e le applicazioni dei sistemi di test, fornisce una potenza di uscita CW satura tipica di 220 W da 1,1 a 1,3 GHz con un’efficienza di drenaggio tipica del 65% e un guadagno di potenza minimo di 13 dB. Il guadagno al piccolo segnale è tipicamente 20 dB a 1 GHz e 15 dB a 2 GHz.

2. Il modello CGH40180PP è un impareggiabile HEMT GaN-on-SiC in un pacchetto flangiato a quattro conduttori per l’uso da dc a 3 GHz con alimentazioni +28-V dc. (Per gentile concessione di Wolfspeed/Cree)

Naturalmente, questi rappresentano solo alcuni esempi delle capacità RF/microonde ad alta potenza dei substrati GaN e GaN-on-SiC. GaN su Si è un fondamento per un numero crescente di prodotti di conversione di potenza e di carica, che sono stati messi a punto da aziende come Texas Instruments e GaN Systems. I FET GaN +600-V dc di Texas Instruments con driver integrati sono diventati componenti chiave in molti prodotti di alimentazione e conversione di potenza. GaN Systems offre un dado GaN HEMT da +650 V dc per convertitori di potenza ad alta densità e azionamenti per motori.

GaN fornisce alta potenza di segnale a frequenze RF e microonde ed è probabile che si sposti costantemente nella gamma di frequenza mmWave con la crescita delle esigenze di potenza del segnale per applicazioni come le comunicazioni cellulari wireless 5G e i sistemi radar automobilistici.