CPU’s, GPU’s, and Now AI Chips

Dit artikel verscheen in Microwaves & RF en is hier gepubliceerd met toestemming.

Leden kunnen dit artikel downloaden in PDF-formaat.

Wat u zult leren:

• Wat zijn de verschillende materialen worden gebruikt bij het maken van GaN vermogen transistoren?
• De invloed van warmte op de prestaties.
• Een overzicht van RF GaN-transistoren met hoog vermogen die momenteel op de markt zijn.

Vast vermogen is er in vele vormen, hoewel de snelst groeiende hoogfrequente, krachtige halfgeleidertechnologie wellicht is gebaseerd op galliumnitride (GaN). GaN-vermogenstransistoren zijn lange tijd de actieve-apparaatbouwstenen geweest voor lineaire en gecomprimeerde vermogensversterkers in L- en S-band militaire radarsystemen.

Afhankelijk van de ontwerpbehoeften zijn GaN-vermogenstransistors verkrijgbaar bij veel leveranciers voor een verscheidenheid aan toepassingen in circuits en systemen voor avionica, commercieel, industrieel, medisch, en militair gebruik. Ze maken allemaal gebruik van de mogelijkheden van GaN-halfgeleidermaterialen met brede bandbreedte om RF-/microgolftransistoren te vormen met hoge vermogensdichtheid en hoge uitgangsvermogensniveaus in kleine pakketten.

Sommige GaN-vermogenstransistoren zijn verkrijgbaar als kale matrijs, terwijl vele worden geleverd in robuuste pakketten die interne impedantieaanpassing hebben om het uitgangsvermogen voor een bepaald frequentiebereik te optimaliseren. Het frequentiebereik voor GaN-transistoren nadert millimetergolffrequenties (mm-golffrequenties) bij lagere uitgangsvermogensniveaus; de hoogste uitgangsvermogensniveaus zijn nog steeds voor gepulseerde signalen, typisch bij L- en S-bandfrequenties.

Materials Matter

Discrete GaN-vermogenstransistoren variëren in vorm en functie, zelfs in de materialen die de GaN-halfgeleidermateriaalbasis ondersteunen. Breed-bandgap GaN-materialen ondersteunen verschillende transistorstructuren, zoals veldeffect-transistor (FET), heterojunctie-bipolaire-transistor (HBT), en high-electron-mobility-transistor (HEMT) -structuren.

Maar vanwege de hoge thermische weerstand en beperkte vermogensafvoercapaciteit van GaN-materiaal, worden GaN-halfgeleiders gefabriceerd op substraten met een lagere thermische weerstand, waaronder GaN op silicium (Si), siliciumcarbide (SiC), en zelfs synthetische diamant. Het gebruik van diamantmaterialen, met de laagste thermische weerstand van de drie substraten, wordt gemotiveerd door onderzoeksfinanciering van DARPA en zijn Near Junction Thermal Transport (NJTT) programma dat al meer dan een decennium met verschillende partners wordt uitgevoerd.

Hoewel het een extreem lage thermische weerstand heeft, wat helpt bij het verwijderen van warmte uit de junctiegebieden van GaN-halfgeleiders, is synthetische diamant nog steeds geen praktische substraatoptie voor consumenten/commerciële toepassingen van GaN-apparaten of zelfs voor militaire/ruimtevaarttoepassingen. De thermische eigenschappen van de drie substraatmaterialen zijn sterk verschillend, waarbij Si de minste warmteafvoer tegen de laagste kostprijs biedt en synthetisch diamant de beste warmteafvoer tegen de hoogste kostprijs. SiC, dat een praktisch compromis vormt tussen kosten en thermische prestaties, is een vaak gebruikt substraat voor discrete GaN-transistoren met een hoger vermogen, vooral die voor missiekritische toepassingen.

Zoals vermeld, zijn discrete GaN-vermogenstransistoren verkrijgbaar als halfgeleider-die en in diverse verpakkingsstijlen, sommige met ingangs- en ingangs-/uitgangsimpedantieaanpassing aan 50 Ω om toevoeging aan RF/microgolfcircuits te vereenvoudigen. GaN-apparaten worden steeds gebruikelijker bij lagere frequenties als de actieve apparaten in hoogspanningsvoedingen en vermogensomzetters en in batterij-laadtoepassingen.

Discrete apparaten in matrijsvorm kunnen breedband aan die zich bijna uitstrekt van dc tot 18 GHz, terwijl zowel matrijs- als verpakte onderdelen beschikbaar zijn van bijna dc tot mmWave-frequenties, zij het bij lagere uitgangsvermogens bij stijgende frequenties. GaN is een algemeen aanvaarde vermogensversterkertechnologie geworden in vele gepulseerde radartoepassingen, met name voor vermogensversterkers (PA’s) op C-, L- en S-bandfrequenties. De technologie is in staat tot hoge versterking met weinig verlies in pulsamplitude over de frequentie. Zij biedt ook een extreem hoog aftaprendement of rendement met vermogenstoevoeging (PAE), hetzij in chipvorm, hetzij in verpakte vorm.

Hoeveel RF/microgolf uitgangsvermogen kan worden verwacht van een enkele GaN-transistor? Praktische PA’s voor radar- en telecommunicatieversterkers combineren gewoonlijk meerdere actieve apparaten in driver- en eindtrappen om een vereist piek/pulserend of continu-golf (CW) uitgangsvermogen te bereiken voor een ontwerpfrequentie en bandbreedte. Een enkele transistor is niet voldoende voor een radarversterker. Maar naarmate discrete transistoren met een hoger vermogen beschikbaar komen, zullen er minder actieve apparaten nodig zijn voor het beoogde uitgangsvermogen.

Warmteproblemen

Warmte is gewoonlijk een beperkende factor voor het vermogen dat door een enkele transistor wordt geleverd. Omdat de halfgeleiderverbindingen van een GaN-transistor warmte genereren, vooral bij hogere vermogensniveaus, moet de warmte worden beheerd om een lange levensduur van de transistor te garanderen.

De hoeveelheid warmte die door een GaN-transistor (of een andere) wordt gegenereerd, wordt bepaald door hoe efficiënt deze zijn stroomtoevoer gebruikt. Transistor afvoerefficiëntie verwijst naar de hoeveelheid of het percentage gelijkstroom dat aan de ingang (afvoerkanaal) van een transistor wordt geleverd en dat beschikbaar is als RF-signaalvermogen aan zijn output. Versterkerontwerpers en andere gebruikers van transistors kunnen verwijzen naar PAE, die de versterking van de transistor beschouwt en hoe goed het circuit van de versterker het toegepaste vermogen gebruikt.

Als 100% rendement mogelijk was, zou een transistor het vermogensniveau van een ingangssignaal kunnen verhogen als functie van de apparaatversterking zonder enige warmte te dissiperen. Maar het afvoerrendement is nooit 100% en er gaat wat ingangsvermogen en bias-energie verloren als warmte. Het hoogste rendement resulteert in de kleinste hoeveelheid warmte die moet worden afgevoerd voor een veilige en langdurige werking van het toestel.

Hoewel sommige commerciële GaN-transistoren een goed aftaprendement hebben van 65% en hoger, gaat toegepaste energie verloren als warmte; de warmte moet dus worden afgevoerd voor een optimale levensduur en prestaties van de transistor. Verpakkingen met een lage thermische weerstand kunnen helpen om de warmte weg te leiden van de knooppunten van een transistor.

De hoeveelheid uitgangsvermogen beschikbaar uit een enkele GaN-transistor zal afhangen van de voedingsspanning (meestal +28, +40, of +50 V dc), de grootte en vorm van de verpakking, en, voor onverpakte dobbelstenen, hoe goed ze thermisch worden beheerd op een toepassingscircuit. Sommige GaN-transistorleveranciers bieden halfgeleiders van hetzelfde proces (zoals voor een +28 V gelijkstroomvoeding) aan in twee verschillende pakketten, meestal robuuste metaal-keramische flensmontagepakketten en kleinere “bolt-down” metaal-keramische pakketten. De fundamentele afweging is vermogen voor grootte, waarbij de transistor in de grotere verpakking meer uitgangsvermogen kan leveren door de thermische knooppunten van de transistor te omringen met een grotere hoeveelheid warmte-afvoerend materiaal.

Op zoek naar een bron

Leveranciers van high-power discrete RF GaN-transistoren die gepulseerde radarsystemen kunnen aandrijven, zijn onder meer BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP, en Qorvo. De meeste van deze discrete apparaten zijn ontworpen voor gebruik bij een van de drie voedingsspanningen (van de drainer naar de bron): +28, +40, en +50 V dc.

BeRex, bijvoorbeeld, biedt drie GaN-op-SiC power HEMT’s in zijn BCGxxx-serie in matrijsvorm voor gebruik met +28 V gelijkstroomvoorzieningen. Dit zijn breedbandapparaten met een totale frequentiedekking van dc tot 26 GHz die kunnen worden aangepast aan de impedantie in versterkercircuits voor toepassingen op C-, X-, Ku- en K-bandfrequenties. De drie transistors, modellen BCG002, BCG004, en BCG008, leveren een verzadigd uitgangsvermogen van respectievelijk 2, 4 en 8 W bij een testfrequentie van 12 GHz, met een winst van beter dan 8 dB en een PAE van 72%.

De meeste leveranciers van discrete GaN-transistoren leveren hun apparaten in vermogenspakketten die zijn aangepast aan de impedantie voor een hoge versterking over een specifiek frequentiebereik. Voor het gemak, sommige zelfs huisvesten dezelfde GaN halfgeleider in meerdere pakketformaten. Een krachtige GaN-op-SiC HEMT van Integra Technologies bijvoorbeeld, die een piekvermogen van 500 W levert bij 2,856 GHz, is verkrijgbaar in een bolt-down-pakket (model IGN2856S500) en in een heavy-duty flensmontagepakket (model IGN2856S500S).

Beide verpakte transistorversies zijn hermetisch afgesloten met keramisch-epoxy deksels en werken op een voedingsspanning van +50 V dc. Terwijl de metaalflenzen grootte in vergelijking met het bolt-down pakket toevoegen, is de hoeveelheid ceramisch materiaal in beide pakketten hetzelfde, bewapend hen met gelijkaardige thermische dissipatiekenmerken.

Elk verpakt apparaat bevat impedantie-matching circuits bij ingangs- en uitgangspoorten voor optimale prestaties bij de 2,856-GHz industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) frequentie, waarbij 60% typische drain-efficiëntie wordt bereikt met 12-µs-brede pulsen bij 3% duty factor. De vermogenstransistoren verwerken ingangssignaalvermogens van 25,0 tot 39,7 W en bieden een typische versterking van 11,8 dB.

De 3942GN-120V GaN-op-SiC HEMT van Microsemi, die al enkele jaren beschikbaar is voor C-band gepulseerde radarversterkers, levert 120-W piek uitgangsvermogen van 3,9 tot 4,2 GHz wanneer hij wordt gevoed door een +50-V dc-voeding. De betrouwbare goudgemetalliseerde transistor is ondergebracht in een hermetisch afgesloten flensmontage-pakket. Gekarakteriseerd met 200 μs lange pulsen bij een duty cycle van 10%, werkt hij met een typische drainefficiëntie van 62%. De versterking is hoog, typisch 15,2 dB op 3,9 en 4,2 GHz, met weinig pulse droop, typisch -0,15 dB of beter.

Voor wie een grotere bandbreedte nodig heeft, zij het met veel minder vermogen, is het model DC35GN-15-Q4 van hetzelfde bedrijf een GaN-op-SiC HEMT ontworpen in een klasse AB lineaire configuratie voor gebruik in zowel gepulseerde als CW-toepassingen van 5 MHz tot 3,5 GHz. Over dat frequentiebereik levert hij een typisch uitgangsvermogen van 19 W met CW-signalen of met pulsen tot 1000 μs bij een duty cycle van 10%. De discrete transistor wordt geleverd in een compacte QFN-verpakking met luchtkamer en ondersteunt toepassingen in radar- en communicatiesystemen met een typische aftapefficiëntie van 66%. Hij is ontworpen voor een gelijkstroomvoeding van +50 V.

Een andere breedband high-power GaN-on-SiC discrete transistor, de MMRF5017HS van NXP Semiconductors, wordt geleverd in een bolt-down metaal-keramiekpakket met ingangsimpedantie-matching voor gebruik van 30 tot 2200 MHz. De veelzijdige +50 V gelijkstroom vermogenstransistor kan zowel CW- als gepulseerde signalen verwerken met een hoge efficiëntie en versterking. Hij levert 125 W CW uitgangsvermogen en 18 dB typische versterking met 59,1% drainefficiëntie bij 520 MHz en 80 W CW uitgangsvermogen, 18,4 dB versterking en 44% drainefficiëntie bij 940 MHz. Getest met pulsen van 2200 MHz, 100 microseconden voor een duty cycle van 20%, levert hij een piek uitgangsvermogen van 200 W.

Biedt iets meer vermogen over een grotere bandbreedte en in een meer conventionele flensmontageverpakking, het model MMRF5014H van hetzelfde bedrijf is een discrete GaN-transistor die geschikt is voor CW- en gepulseerde werking van 1 tot 2700 MHz. Hij beschikt over een piek en CW uitgangsvermogen van 125 W bij 2500 MHz met 16-dB CW versterking en 18-dB gepulseerde versterking. Het aftaprendement is 64% of beter voor zowel CW- als gepulseerde signalen (pulsen van 100 μs bij een duty cycle van 20%). Bij tests voor breedbandige werking is hij in staat tot 100 W CW uitgangsvermogen met 12 dB versterking van 200 tot 2500 MHz, hoewel het typische drainrendement daalt tot 40%.

De QPD1029L discrete GaN-op-SiC-vermogenstransistor ontwikkeld door Qorvo behoort tot de GaN RF-vermogenstransistoren met de hoogste spanning, ontworpen voor een voedingsspanning van +65 V dc. De ingang komt overeen met een paar GaN-matrijzen in een flensverpakking met vier laden voor hoge signaalvermogensniveaus van 1,2 tot 1,4 GHz. Ideaal voor L-band gepulseerde radartoepassingen, maar ook nuttig voor het versterken van CW-signalen, bereikt het apparaat 1500 W uitgangsvermogen met 300 μs brede pulsen bij 10% duty cycle. Het uitgangsvermogen is het resultaat van 21,3 dB lineaire versterking voor een ingangssignaal van +46,2 dBm. Typische afvoerefficiëntie bij 1,3 GHz is 62,5%.

Veel van deze discrete GaN-transistoren hebben goudmetallisatie voor een hoge betrouwbaarheid en zijn geschikt voor een maximale drain-source (voedings)spanning van +150 V dc. Zoals uit de voorbeelden blijkt, is een aanzienlijk piek uitgangsvermogen mogelijk van een enkel apparaat dat werkt op een van de drie meest populaire voedingsspanningen (+28, +40, en +50 V dc)-werking bij een hogere voedingsspanning is geen garantie voor een hoger uitgangsvermogen.

In feite bleek uit betrouwbaarheidsstudies met behulp van versnelde levensduurtesten (door Cree)1 dat GaN-op-SiC HEMT’s even goed omgingen met verschillende voedingsspanningen. Zelfs bij de hoogste voedingsspanning (+50 V dc), terwijl sommige apparaten een lichte degradatie vertoonden in verzadigd uitgangsvermogen, mogelijk als gevolg van inbrandgedrag, werden geen defecten gevonden tijdens versnelde levensduurtesten van transistors gefabriceerd met verschillende GaN-op-SiC-processen.

Cree biedt het breedste assortiment van GaN-op-SiC discrete transistors, in zowel matrijs- als verpakte versies. In die-vorm levert de CGHV1J025D discrete GaN-op-SiC-transistor voldoende (verzadigd) uitgangsvermogen bij 25 W van 10 MHz tot 18 GHz voor een verscheidenheid aan punt-tot-punt- en satellietcommunicatie en maritieme radartoepassingen. Bij het testen bij +40 V gelijkstroom in een testopstelling levert de transistor een versterking van 17 dB bij kleine signalen en een typische PAE van 60% bij 10 GHz. Voor meer vermogen en dezelfde versterking, maar met minder bandbreedte, levert de CGHV60040D GaN-vermogenstransistor van het bedrijf een uitgangsvermogen van 40 W met 65% PAE van dc tot 6 GHz en een +40 V dc-voeding.

Kies een pakket

Ter bevordering van de lay-outflexibiliteit heeft Cree veel van zijn discrete GaN-op-SiC-transistoren ondergebracht in flens- en flensloze pil-pakketten. Het +50V dc-model CGHV40100 bijvoorbeeld wordt in beide verpakkingsstijlen geleverd met gelijke prestatieniveaus van dc tot 3 GHz voor elk van de verpakte apparaten.

De discrete vermogenstransistoren, verkrijgbaar bij distributeur Mouser Electronics, vereisen ingangs- en uitgangsimpedantie-matching voor een bepaalde toepassing. Ze zijn geschikt voor 100 W verzadigd CW uitgangsvermogen op 1 GHz, 141 W op 1,5 GHz, en 116 W op 2,0 GHz, met 16,9-dB versterking bij kleine signalen op 1 GHz en 17,5-dB versterking op 2 GHz. De transistor biedt het hoge rendement waar GaN om bekend staat, met een drainefficiëntie van 68% bij 0,5 GHz, 56% bij 1 GHz, en 54% bij 2 GHz.

Onder de verpakte apparaten is Cree’s CGHV14800 GaN HEMT (fig. 1) een van de discrete apparaten met het hoogste vermogen dat beschikbaar is, gericht op gepulseerde L-band luchtverkeersleiding en weerradars van 960 tot 1400 MHz. Geleverd in een robuuste keramische/metalen flensverpakking, levert hij een uitgangsvermogen van 1000 W met een typische versterking van 15,5 dB en een typische afvoerefficiëntie van 74% bij 1,2 GHz.

1. Discrete GaN-transistoren met hoog vermogen vereisen robuuste metaal/keramiekverpakkingen om de warmte te helpen afvoeren, zoals gebruikt bij deze L-band GaN-op-SiC-transistor voor L-bandtoepassingen van 960 tot 1400 MHz. (Met dank aan Wolfspeed/Cree)

Bij de bovenfrequentielimiet levert de transistor met +50 V gelijkstroom nog steeds 910 W uitgangsvermogen en 15,1 dB versterking met een typische afvoerefficiëntie van 67% bij 1,4 GHz. Hij kan gepulseerde ingangsvermogenniveaus aan van +41 dBm voor pulsen van 100 μs bij 5% maximale duty cycle en heeft slechts -0,3 dB pulsamplitude-drop over zijn bandbreedte.

Voor een lagere voedingsspanning is het model CGH40180PP van Cree een ongeëvenaarde GaN-op-SiC HEMT in een vier-lead flenspakket (fig. 2), ontworpen voor gebruik van dc tot 3 GHz met +28 V dc aftapspanning. Het is een effectieve signaalvermogensversterker voor cellulaire infrastructuur- en testsysteemtoepassingen en levert een typisch verzadigd CW uitgangsvermogen van 220 W van 1,1 tot 1,3 GHz met een typische drainefficiëntie van 65% en een minimale vermogensversterking van 13 dB. De versterking bij kleine signalen is typisch 20 dB bij 1 GHz en 15 dB bij 2 GHz.

2. Model CGH40180PP is een ongeëvenaarde GaN-on-SiC HEMT in een vier-lead flensverpakking voor gebruik van gelijkstroom tot 3 GHz met +28-V gelijkstroomvoeding. (Met dank aan Wolfspeed/Cree)

Natuurlijk zijn dit slechts een paar voorbeelden van de RF/microgolfcapaciteiten met hoog vermogen van GaN en GaN-op-SiC-substraten. GaN op Si vormt de basis voor een groeiend aantal stroomconversie- en oplaadproducten van bedrijven als Texas Instruments en GaN Systems. De +600-V dc GaN FET’s met geïntegreerde drivers van Texas Instruments zijn sleutelcomponenten geworden in veel producten voor stroomvoorziening en stroomconversie. GaN Systems biedt een +650-V dc GaN HEMT-die voor vermogensomzetters en motoraandrijvingen met hoge vermogensdichtheid.

GaN levert een hoog signaalvermogen bij RF- en microgolffrequenties en zal waarschijnlijk gestaag opschuiven naar het mmWave-frequentiebereik naarmate de behoefte aan signaalvermogen groeit voor toepassingen zoals 5G draadloze cellulaire communicatie en autoradarsystemen.