CPU-uri, GPU-uri și acum cipuri de inteligență artificială

Acest articol a apărut în Microwaves & RF și a fost publicat aici cu permisiunea.

Membrii pot descărca acest articol în format PDF.

Ce veți afla:

• Care sunt diferitele materiale utilizate în crearea tranzistoarelor de putere GaN?
• Impactul căldurii asupra performanței.
• O trecere în revistă a tranzistoarelor RF GaN de mare putere aflate în prezent pe piață.

Puterea în stare solidă vine în multe forme, deși tehnologia semiconductoarelor de înaltă frecvență și de mare putere cu cea mai rapidă creștere poate fi bazată pe nitrură de galiu (GaN). Tranzistoarele de putere GaN au fost de mult timp blocurile de construcție ale dispozitivelor active pentru amplificatoarele de putere liniare și comprimate în sistemele radar militare în benzile L și S.

În funcție de necesitățile de proiectare, tranzistoarele de putere GaN sunt disponibile de la mulți furnizori pentru o varietate de aplicații în circuite și sisteme pentru uz avionic, comercial, industrial, medical și militar. Toate acestea valorifică capacitățile materialelor semiconductoare GaN cu bandă largă pentru a forma tranzistoare RF/microunde cu densitate mare de putere și niveluri ridicate de putere de ieșire în pachete mici.

Câteva tranzistoare de putere GaN sunt disponibile ca matrice goală, în timp ce multe dintre ele sunt furnizate în pachete robuste care au adaptare de impedanță internă pentru a optimiza puterea de ieșire pentru o anumită gamă de frecvențe. Acoperirea de frecvențe pentru tranzistoarele GaN se apropie de frecvențele de unde milimetrice (mmWave) la niveluri mai mici de putere de ieșire; cele mai înalte niveluri de putere de ieșire sunt încă pentru semnale pulsate, de obicei la frecvențele din benzile L și S.

Materialele contează

Tranzistoarele de putere GaN discrete variază în formă și funcție, chiar și în ceea ce privește materialele care stau la baza materialului semiconductor GaN. Materialele GaN cu bandă largă suportă diferite structuri de tranzistori, cum ar fi structurile de tranzistori cu efect de câmp (FET), tranzistori heterojoncționali-bipolari (HBT) și structuri de tranzistori cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT).

Cu toate acestea, din cauza rezistenței termice ridicate și a capacităților limitate de disipare a puterii ale materialului GaN, semiconductorii GaN sunt fabricați pe substraturi cu rezistență termică mai mică, inclusiv GaN pe siliciu (Si), carbură de siliciu (SiC) și chiar diamant sintetic. Utilizarea materialelor din diamant, cu cea mai mică rezistență termică dintre cele trei substraturi, este motivată de finanțarea cercetării de către DARPA și de programul său Near Junction Thermal Transport (NJTT), derulat cu mai mulți parteneri de peste un deceniu.

Deși are o rezistență termică extrem de scăzută, care ajută la eliminarea căldurii din regiunile de joncțiune ale semiconductoarelor GaN, diamantul sintetic nu este încă o opțiune practică de substrat pentru aplicațiile de consum/comerciale ale dispozitivelor GaN sau chiar pentru aplicațiile militare/aerospațiale. Proprietățile termice ale celor trei materiale de substrat sunt mult diferite, Si oferind cea mai mică disipare a căldurii la cel mai mic cost, iar diamantul sintetic cea mai bună disipare termică la cel mai mare cost. Reprezentând un compromis practic între cost și performanță termică, SiC este un substrat des utilizat pentru tranzistoarele GaN discrete de putere mai mare, în special pentru cele destinate aplicațiilor critice.

După cum s-a menționat, tranzistoarele de putere GaN discrete sunt disponibile sub formă de matriță semiconductoare și în diverse stiluri de capsulă, unele cu adaptare a impedanței de intrare și de intrare/ieșire la 50 Ω pentru a simplifica adăugarea la circuitele RF/microunde. Dispozitivele GaN devin din ce în ce mai frecvente la frecvențe mai joase ca dispozitive active în sursele de alimentare de înaltă tensiune și în convertoarele de putere, precum și în aplicațiile de încărcare a bateriilor.

Dispozitivele discrete sub formă de matriță pot face față unei benzi largi care se întinde aproape de la dc la 18 GHz, în timp ce atât matrițele cât și piesele împachetate sunt disponibile de la frecvențe apropiate de dc până la frecvențe mmWave, deși la niveluri mai mici de putere de ieșire la frecvențe în creștere. GaN a devenit o tehnologie de amplificare a puterii bine acceptată în multe aplicații radar cu impulsuri, în special pentru amplificatoare de putere (PA) la frecvențe în benzile C, L și S. Tehnologia este capabilă de un câștig ridicat cu o mică scădere a amplitudinii impulsurilor în funcție de frecvență. De asemenea, oferă o eficiență de drenaj sau o eficiență de putere adăugată (PAE) extrem de ridicată, fie că este vorba de un cip sau de un pachet.

Cât de multă putere de ieșire RF/microunde poate fi așteptată de la un singur tranzistor GaN? PA-urile practice pentru amplificatoare radar și de telecomunicații combină de obicei mai multe dispozitive active în etajele de comandă și de ieșire pentru a obține o putere de ieșire de vârf/pulsată sau de undă continuă (CW) necesară pentru o frecvență și o lățime de bandă de proiectare. Un singur tranzistor nu va fi suficient pentru un amplificator radar. Dar, pe măsură ce devin disponibile tranzistoare discrete de putere mai mare, vor fi necesare mai puține dispozitive active pentru a obține puterea de ieșire dorită.

Probleme cu căldura

Căldura este de obicei un factor de limitare a puterii furnizate de un singur tranzistor. Deoarece joncțiunile semiconductoare ale unui tranzistor GaN generează căldură, în special la niveluri de putere mai mari, căldura trebuie gestionată pentru a asigura o durată de viață lungă de funcționare a tranzistorului.

Cantitatea de căldură generată de un tranzistor GaN (sau de orice alt tranzistor) va fi determinată de eficiența cu care acesta își utilizează sursa de alimentare. Eficiența de drenaj a tranzistorului se referă la cantitatea sau procentul de putere în curent continuu furnizată la intrarea (drena) unui tranzistor care este disponibilă ca putere de semnal RF la ieșirea sa. Proiectanții de amplificatoare și alți utilizatori de tranzistoare se pot referi la PAE, care ia în considerare câștigul tranzistorului și cât de bine utilizează circuitele amplificatorului puterea aplicată.

Dacă ar fi posibilă o eficiență de 100%, un tranzistor ar putea crește nivelul de putere al unui semnal de intrare în funcție de câștigul dispozitivului fără să disipeze căldură. Dar eficiența de drenaj nu este niciodată de 100% și o parte din puterea de intrare și din energia de polarizare se va pierde sub formă de căldură. Cea mai mare eficiență rezultă în cea mai mică cantitate de căldură care trebuie disipată pentru o funcționare sigură și prelungită a dispozitivului.

Chiar dacă unele tranzistoare GaN din comerț prezintă o bună eficiență de drenaj de 65% și mai mult, energia aplicată se pierde sub formă de căldură; astfel, căldura trebuie disipată pentru o durată de viață și performanță optimă a tranzistorului. Ambalajele cu rezistență termică scăzută pot ajuta la scurgerea căldurii departe de joncțiunile unui tranzistor.

Cantitatea de putere de ieșire disponibilă de la un singur tranzistor GaN va depinde de tensiunea de alimentare (de obicei +28, +40 sau +50 V c.c.), de dimensiunea și forma capsulului și, în cazul matrițelor neambalate, de modul în care acestea sunt gestionate termic pe un circuit de aplicație. Unii furnizori de tranzistoare GaN oferă semiconductori din același proces (cum ar fi pentru o alimentare de +28 V c.c.) în două ambalaje diferite, de obicei ambalaje robuste metal-ceramice cu flanșă și ambalaje metal-ceramice mai mici „bolt-down”. Compromisul de bază este puterea în raport cu dimensiunea, tranzistorul din capsula mai mare fiind capabil să furnizeze o putere de ieșire mai mare prin înconjurarea joncțiunilor termice ale tranzistorului cu o cantitate mai mare de material de disipare a căldurii.

Cercetarea unei surse

Furnizorii de tranzistoare GaN RF discrete de mare putere care pot alimenta sistemele radar cu impulsuri includ BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP și Qorvo. Cele mai multe dintre aceste dispozitive discrete sunt concepute pentru a fi utilizate la una dintre cele trei tensiuni de alimentare (de la scurgere la sursă a dispozitivului): +28, +40 și +50 V dc.

BeRex, de exemplu, oferă trei HEMT-uri de putere GaN-on-SiC din seria sa BCGxxx sub formă de matriță pentru utilizarea cu surse de alimentare de +28 V dc. Acestea sunt dispozitive de bandă largă cu o acoperire totală a frecvențelor de la dc la 26 GHz, care pot fi adaptate la impedanță în cadrul circuitelor de amplificare pentru aplicații în benzile C-, X-, Ku- și K. Cele trei tranzistoare, modelele BCG002, BCG004 și BCG008, oferă niveluri saturate de putere de ieșire de 2, 4 și, respectiv, 8 W, la o frecvență de testare de 12 GHz, cu un câștig mai bun de 8 dB și un PAE de 72%.

Majoritatea furnizorilor de tranzistoare discrete GaN furnizează dispozitivele lor în cadrul unor pachete de putere care sunt adaptate la impedanță pentru un câștig ridicat pe o anumită gamă de frecvențe. Pentru comoditate, unii chiar găzduiesc același semiconductor GaN în mai multe formate de pachete. De exemplu, un HEMT GaN-on-SiC de mare putere de la Integra Technologies, care oferă o putere de ieșire de vârf de 500 W la 2,856 GHz, este disponibil într-o capsulă cu șuruburi (modelul IGN2856S500) și într-o capsulă de montare pe flanșă pentru sarcini grele (modelul IGN2856S500S).

Ambele versiuni de tranzistoare împachetate sunt sigilate ermetic cu capace ceramice-epoxidice și funcționează la o tensiune de alimentare de +50 V dc. În timp ce flanșele metalice adaugă dimensiuni în comparație cu capsula cu șuruburi, cantitatea de material ceramic din ambele capsule este aceeași, înarmându-le cu caracteristici similare de disipare termică.

Care dispozitiv împachetat conține circuite de potrivire a impedanței la porturile de intrare și de ieșire pentru performanțe optime la frecvența industrială, științifică și medicală (ISM) de 2,856 GHz, atingând o eficiență de scurgere tipică de 60% cu impulsuri de 12μs de lățime la un factor de funcționare de 3%. Tranzistoarele de putere gestionează niveluri de putere a semnalului de intrare de la 25,0 la 39,7 W și oferă un câștig tipic de 11,8 dB.

Disponibil de câțiva ani pentru amplificatoare radar cu impulsuri în banda C, HEMT-ul 3942GN-120V GaN-on-SiC de la Microsemi oferă o putere de ieșire de vârf de 120 W de la 3,9 la 4,2 GHz atunci când este alimentat de o sursă de +50 V dc. Tranzistorul fiabil metalizat cu aur este găzduit într-o capsulă de montare pe flanșă sigilată ermetic. Atunci când este caracterizat cu impulsuri lungi de 200μs la un ciclu de funcționare de 10%, acesta funcționează cu o eficiență de drenaj tipică de 62%. Câștigul este ridicat, de obicei de 15,2 dB la 3,9 și 4,2 GHz, cu o cădere mică a impulsurilor, de obicei -0,15 dB sau mai bună.

Pentru cei care au nevoie de o lățime de bandă mai mare, deși cu mult mai puțină putere, modelul DC35GN-15-Q4 al aceleiași companii este un HEMT GaN-on-SiC proiectat într-o configurație liniară de clasă AB pentru utilizare atât în aplicații cu impulsuri cât și CW de la 5 MHz la 3,5 GHz. În această gamă de frecvențe, acesta oferă o putere de ieșire tipică de 19 W cu semnale CW sau cu impulsuri de până la 1000 μs la un ciclu de funcționare de 10%. Furnizat într-o capsulă compactă QFN cu cavitate de aer, tranzistorul discret suportă aplicații pentru sisteme radar și de comunicații cu o eficiență de drenaj tipică de 66%. Este proiectat pentru o tensiune de alimentare de +50 V dc.

Un alt tranzistor discret GaN-on-SiC de mare putere în bandă largă, MMRF5017HS de la NXP Semiconductors, este furnizat într-o capsulă metal-ceramică bolt-down cu potrivire a impedanței de intrare pentru utilizare între 30 și 2200 MHz. Polivalentul tranzistor de putere de +50 V c.c. poate gestiona semnale CW și pulsate cu eficiență și câștig ridicat. Acesta oferă o putere de ieșire CW de 125 W și un câștig tipic de 18 dB cu o eficiență de drenaj de 59,1% la 520 MHz și o putere de ieșire CW de 80 W, un câștig de 18,4 dB și o eficiență de drenaj de 44% la 940 MHz. Atunci când a fost testat cu impulsuri de 2200 MHz, 100μs pentru un ciclu de funcționare de 20%, acesta oferă o putere de ieșire de vârf de 200 W.

Oferind o putere ușor mai mare pe o lățime de bandă mai mare și într-un pachet mai convențional cu flanșă, modelul MMRF5014H al aceleiași companii este un tranzistor GaN discret capabil să funcționeze în CW și în impulsuri de la 1 la 2700 MHz. Acesta dispune de o putere de ieșire CW și de vârf de 125 W la 2500 MHz cu un câștig CW de 16 dB și un câștig pulsat de 18 dB. Eficiența de drenaj este de 64% sau mai bună atât pentru semnalele CW cât și pentru cele pulsate (impulsuri de 100μs la un ciclu de funcționare de 20%). Atunci când a fost testat pentru funcționarea în bandă largă, este capabil de o putere de ieșire CW de 100 W cu un câștig de 12 dB de la 200 la 2500 MHz, deși eficiența tipică a drenajului scade la 40%.

Transistorul de putere discret GaN-on-SiC QPD1029L dezvoltat de Qorvo se numără printre cele mai înalte tensiuni ale tranzistoarelor de putere GaN RF, proiectate pentru o tensiune de alimentare de +65 V dc. Intrarea sa se potrivește cu o pereche de matrițe GaN în cadrul unui pachet cu flanșă cu patru conductoare pentru niveluri ridicate de putere a semnalului de la 1,2 la 1,4 GHz. Ideal pentru aplicații radar cu impulsuri în banda L, dar util și pentru amplificarea semnalelor CW, dispozitivul atinge o putere de ieșire de 1500 W cu impulsuri de 300 μs lățime la un ciclu de funcționare de 10%. Puterea de ieșire este rezultatul unui câștig liniar de 21,3-dB pentru un semnal de intrare la +46,2 dBm. Eficiența tipică a drenajului la 1,3 GHz este de 62,5%.

Mai multe dintre aceste tranzistoare GaN discrete utilizează metalizare din aur pentru o fiabilitate ridicată și sunt evaluate pentru o tensiune maximă drenă-sursă (alimentare) de +150 V dc. După cum arată exemplele, este posibilă o putere de ieșire de vârf semnificativă de la un singur dispozitiv care funcționează la oricare dintre cele mai populare trei tensiuni de alimentare (+28, +40 și +50 V c.c.) – funcționarea la o tensiune de alimentare mai mare nu garantează o putere de ieșire mai mare.

De fapt, studiile de fiabilitate care utilizează testarea accelerată a duratei de viață (de către Cree)1 au arătat că HEMT-urile GaN-on-SiC au gestionat la fel de bine diferite tensiuni de alimentare. Chiar și la cea mai mare tensiune de alimentare (+50 V c.c.), în timp ce unele dispozitive au prezentat o ușoară degradare a puterii de ieșire saturate, posibil din cauza comportamentului de arsură, nu s-au constatat defecțiuni în timpul testelor accelerate de durată de viață a tranzistoarelor fabricate cu mai multe procese GaN-on-SiC diferite.

Cree oferă cea mai largă gamă de tranzistoare discrete GaN-on-SiC, atât în versiuni cu matrice, cât și în versiuni împachetate. Sub formă de matriță, tranzistorul discret GaN-on-SiC CGHV1J025D oferă suficientă putere de ieșire (saturată) la 25 W de la 10 MHz la 18 GHz pentru a deservi o varietate de aplicații de comunicații punct-la-punct și prin satelit și radare marine. Atunci când este testat la +40 V c.c. într-un dispozitiv de testare, tranzistorul oferă un câștig la semnal mic de 17 dB și un PAE tipic de 60% la 10 GHz. Pentru o putere mai mare și același nivel de câștig, dar o lățime de bandă mai mică, tranzistorul de putere GaN CGHV60040D al firmei oferă o putere de ieșire de 40 W cu 65% PAE de la c.c. la 6 GHz și o alimentare de +40 V c.c.

Scoateți un pachet

Adresându-se flexibilității layout-ului, Cree găzduiește mulți dintre tranzistoarele sale discrete GaN-on-SiC în pachete de pastile cu flanșă și fără flanșă. De exemplu, modelul CGHV40100 de +50 V c.c. este disponibil în ambele tipuri de ambalaje, cu niveluri de performanță egale de la c.c. la 3 GHz pentru fiecare dintre dispozitivele ambalate.

Tranzistoarele de putere discrete, disponibile la distribuitorul Mouser Electronics, necesită adaptarea impedanței de intrare și de ieșire pentru o anumită aplicație. Ele sunt capabile de o putere de ieșire CW saturată de 100 W la 1 GHz, 141 W la 1,5 GHz și 116 W la 2,0 GHz, cu un câștig la semnal mic de 16,9 dB la 1 GHz și de 17,5 dB la 2 GHz. Tranzistorul oferă randamentul ridicat pentru care este cunoscut GaN, cu un randament de drenaj de 68% la 0,5 GHz, 56% la 1 GHz și 54% la 2 GHz.

Printre dispozitivele sale împachetate, CGHV14800 GaN HEMT de la Cree (Fig. 1) este unul dintre dispozitivele discrete de cea mai mare putere disponibile, vizând radarele de control al traficului aerian în bandă L pulsată și radarele meteorologice de la 960 la 1400 MHz. Furnizat într-o capsulă robustă cu flanșă ceramică/metalică, acesta oferă o putere de ieșire de 1000 W cu un câștig tipic de 15,5 dB și o eficiență de drenaj tipică de 74% la 1,2 GHz.

1. Tranzistoarele discrete GaN de mare putere necesită pachete metalice/ceramice robuste pentru a ajuta la disiparea căldurii, cum ar fi cele utilizate cu acest tranzistor GaN-on-SiC în bandă L pentru aplicații în bandă L de la 960 la 1400 MHz. (Prin amabilitatea Wolfspeed/Cree)

La limita sa de frecvență superioară, tranzistorul de +50 V c.c. oferă în continuare o putere de ieșire de 910 W și un câștig de 15,1 dB cu o eficiență de drenaj tipică de 67% la 1,4 GHz. Acesta gestionează niveluri de putere de intrare pulsată la +41 dBm pentru impulsuri de 100 μs la un ciclu de funcționare maxim de 5% și suferă o cădere de amplitudine a impulsurilor de numai -0,3 dB pe toată lățimea de bandă.

Pentru o alimentare la o tensiune mai mică, modelul CGH40180PP de la Cree este un HEMT GaN-on-SiC de neegalat într-un capsulă cu flanșă cu patru conductoare (Fig. 2) proiectat pentru utilizare de la dc la 3 GHz cu o tensiune de drenaj de +28 V dc. Un amplificator eficient al puterii semnalului pentru aplicații de infrastructură celulară și sisteme de testare, acesta oferă o putere de ieșire CW saturată tipică de 220 W de la 1,1 la 1,3 GHz cu o eficiență de drenaj tipică de 65% și un câștig de putere minim de 13 dB. Câștigul de semnal mic este de obicei de 20 dB la 1 GHz și de 15 dB la 2 GHz.

2. Modelul CGH40180PP este un HEMT GaN-on-SiC de neegalat în capsulă cu flanșă cu patru conductoare pentru utilizare de la c.c. la 3 GHz cu alimentări de +28 V c.c. (Prin amabilitatea Wolfspeed/Cree)

Desigur, acestea reprezintă doar câteva exemple ale capacităților RF/microunde de mare putere ale substraturilor GaN și GaN-on-SiC. GaN pe Si este o bază pentru un număr tot mai mare de produse de conversie a puterii și de încărcare, puse la cheie de companii precum Texas Instruments și GaN Systems. FET-urile GaN GaN de +600 V c.c. de la Texas Instruments cu drivere integrate au devenit componente cheie în multe produse de alimentare și conversie a energiei. GaN Systems oferă o matrice GaN HEMT de +650 V c.c. pentru convertoare de putere de mare densitate și acționări de motoare.

GaN asigură o putere mare a semnalului la frecvențe RF și de microunde și este probabil să se deplaseze în mod constant în gama de frecvențe mmWave, pe măsură ce nevoile de putere a semnalului cresc pentru aplicații precum comunicațiile celulare fără fir 5G și sistemele radar pentru automobile.