CPUs, GPUs, and Now AI Chips

Denna artikel publicerades i Microwaves & RF och har publicerats här med tillstånd.

Medlemmar kan ladda ner denna artikel i PDF-format.

Det här lär du dig:

• Vilka olika material används för att skapa GaN-strömtransistorer?
• Värmens inverkan på prestandan.
• En genomgång av högfrekventa RF GaN-transistorer som för närvarande finns på marknaden.

Solid-state power finns i många former, även om den snabbast växande högfrekventa, högeffektiva halvledartekniken kan vara baserad på galliumnitrid (GaN). GaN-effekttransistorer har länge varit de aktiva byggstenarna för linjära och komprimerade effektförstärkare i militära radarsystem på L- och S-bandet.

Avhängigt av konstruktionsbehov finns GaN-effekttransistorer tillgängliga från många leverantörer för en mängd olika tillämpningar i kretsar och system för avionik, kommersiell, industriell, medicinsk och militär användning. De utnyttjar alla kapaciteten hos GaN-halvledarmaterial med brett bandgap för att bilda RF/mikrovågstransistorer med hög effekttäthet och höga utgångseffektnivåer i små förpackningar.

Vissa GaN-effekttransistorer finns tillgängliga som blottad matris, medan många levereras i robusta förpackningar med intern impedansanpassning för att optimera utgångseffekten för ett visst frekvensområde. Frekvenstäckningen för GaN-transistorer närmar sig millimetervågsfrekvenser (mmWave) vid lägre utgångseffektnivåer; de högsta utgångseffektnivåerna är fortfarande för pulsade signaler, vanligtvis vid L- och S-bandsfrekvenser.

Materialen spelar roll

Diskreta GaN-strömtransistorer varierar i form och funktion, även när det gäller de material som ligger till grund för GaN-halvledarmaterialet. GaN-material med brett bandgap stöder olika transistorstrukturer, t.ex. fälteffekttransistor (FET), heterojunction-bipolar-transistor (HBT) och högelektronmobilitetstransistor (HEMT).

På grund av GaN-materialets höga värmebeständighet och begränsade förmåga att släppa ut effekt tillverkas GaN-halvledare dock på substrat med lägre värmebeständighet, inklusive GaN på kisel (Si), kiselkarbid (SiC) och till och med syntetisk diamant. Användningen av diamantmaterial, som har den lägsta termiska resistansen av de tre substraten, motiveras av forskningsfinansiering från DARPA och dess NJTT-program (Near Junction Thermal Transport) som har funnits tillsammans med flera partner i över ett decennium.

Tyvärr är syntetisk diamant fortfarande inte ett praktiskt substratalternativ för konsument-/kommersiella tillämpningar av GaN-enheter eller till och med för militära/luftfartstillämpningar, trots att det har extremt låg termisk resistans, vilket underlättar avlägsnandet av värme från GaN-halvledarnas övergångsregioner. De termiska egenskaperna hos de tre substratmaterialen är mycket olika, där Si ger minst värmeavledning till lägsta kostnad och syntetisk diamant ger bäst värmeavledning till högsta kostnad. SiC utgör en praktisk kompromiss mellan kostnad och termisk prestanda och är ett ofta använt substrat för diskreta GaN-transistorer med högre effekt, särskilt sådana som är avsedda för kritiska tillämpningar.

Som nämnts finns diskreta GaN-effekttransistorer tillgängliga som halvledarmatriser och i olika paketeringsformer, varav en del med en impedansanpassning av ingångs- och ingångs-/utgångsimpedansen till 50 Ω för att förenkla tillägget till RF/mikrovågskretsar. GaN-enheter blir allt vanligare vid lägre frekvenser som aktiva enheter i högspänningsaggregat och kraftomvandlare samt i tillämpningar för batteriladdning.

Diskreta enheter i form av matriser kan hantera bredband som nästan sträcker sig från dc till 18 GHz, medan både matris och förpackade delar finns tillgängliga från nära dc till mmWave-frekvenser, om än med lägre utgångseffektnivåer vid stigande frekvenser. GaN har blivit en väl accepterad teknik för effektförstärkning i många pulsade radartillämpningar, särskilt för effektförstärkare på C-, L- och S-bandet. Tekniken kan ge hög förstärkning med liten nedgång i pulsamplituden över frekvensen. Den ger också extremt hög dräneringsverkningsgrad eller effekttillagd verkningsgrad (PAE), oavsett om det är i chip- eller förpackningsform.

Hur mycket RF/mikrovågsutgångseffekt kan man förvänta sig av en enda GaN-transistor? Praktiska PA:er för radar- och telekommunikationsförstärkare kombinerar vanligtvis flera aktiva enheter i driv- och utgångssteg för att uppnå en erforderlig topp/impulserad eller kontinuerlig våg (CW) utgångseffekt för en konstruktionsfrekvens och bandbredd. En enda transistor räcker inte till för en radarförstärkare. Men i takt med att diskreta transistorer med högre effekt blir tillgängliga kommer färre aktiva enheter att behövas för att uppnå den önskade uteffekten.

Problem med värme

Värme är vanligtvis en begränsande faktor för den effekt som tillhandahålls av en enskild transistor. Eftersom halvledarförbindelserna i en GaN-transistor genererar värme, särskilt vid högre effektnivåer, måste värmen hanteras för att säkerställa en lång drifttid för transistorn.

Mängden värme som genereras av en GaN-transistor (eller någon annan transistor) kommer att avgöras av hur effektivt den använder sin strömförsörjning. Transistorens dräneringseffektivitet avser mängden eller procentandelen av den likströmsenergi som tillförs vid ingången (dräneringen) av en transistor och som är tillgänglig som RF-signaleffekt vid dess utgång. Förstärkarkonstruktörer och andra användare av transistorer kan hänvisa till PAE, som tar hänsyn till transistorens förstärkning och hur väl förstärkarens kretsar använder den tillförda effekten.

Om 100 % verkningsgrad vore möjligt skulle en transistor kunna öka effektnivån för en ingångssignal som en funktion av enhetens förstärkning utan att avge någon värme. Men dräneringseffektiviteten är aldrig 100 % och en del tillförd effekt och förspänningsenergi kommer att gå förlorad som värme. Den högsta verkningsgraden resulterar i den minsta mängden värme som måste avledas för säker och långvarig drift av anordningen.

Och även om vissa kommersiella GaN-transistorer har en god dräneringseffektivitet på 65 % och högre, går tillförd energi förlorad som värme; värmen måste därför avledas för optimal transistorlivslängd och prestanda. Paket med låg termisk resistans kan hjälpa till att leda bort värmen från en transistors förbindelsepunkter.

Mängden utgångseffekt som är tillgänglig från en enskild GaN-transistor beror på matningsspänningen (typiskt +28, +40 eller +50 V DC), förpackningens storlek och form och, för oförpackade die, hur väl de hanteras termiskt i en applikationskrets. Vissa leverantörer av GaN-transistorer erbjuder halvledare från samma process (t.ex. för en +28 V DC-försörjning) i två olika förpackningar, vanligtvis robusta metallkeramiska flänsmonterade förpackningar och mindre metallkeramiska förpackningar som kan skruvas ned. Den grundläggande avvägningen är effekt i förhållande till storlek, där transistorn i det större paketet kan leverera mer utgångseffekt genom att omge transistorens termiska förbindningar med en större mängd värmeavledande material.

Söka en källa

Leverantörer av diskreta hög effekt-GaN-transistorer för högfrekvens som kan driva pulsade radarsystem är bland annat BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP och Qorvo. De flesta av dessa diskreta enheter är konstruerade för användning vid en av tre spänningar (enhetens spänning från dränering till källa): +28, +40 och +50 V DC.

BeRex erbjuder till exempel tre GaN-on-SiC power HEMTs i sin BCGxxx-serie i form av en matris för användning med +28 V DC-försörjning. Det är bredbandsenheter med en total frekvenstäckning från dc till 26 GHz som kan impedansanpassas i förstärkarkretsar för tillämpningar på C-, X-, Ku- och K-bandsfrekvenser. De tre transistorerna, modellerna BCG002, BCG004 och BCG008, ger mättade utgångseffektnivåer på 2, 4 respektive 8 W vid en testfrekvens på 12 GHz, med en förstärkning på mer än 8 dB och en PAE på 72 %.

De flesta leverantörer av diskreta GaN-transistorer tillhandahåller sina enheter i kraftpaket som är impedansmatchade för hög förstärkning över ett visst frekvensområde. För bekvämlighetens skull rymmer vissa till och med samma GaN-halvledare i flera olika paketformat. En GaN-on-SiC HEMT med hög effekt från Integra Technologies som ger 500 W toppeffekt vid 2,856 GHz finns till exempel i ett nedskruvat paket (modell IGN2856S500) och i ett tungt flänsmonterat paket (modell IGN2856S500S).

Båda de förpackade transistorversionerna är hermetiskt förslutna med lock av keramisk epoxi och fungerar med en matningsspänning på +50 V dc. Även om metallflänsarna ökar storleken jämfört med det nedskruvade paketet, är mängden keramiskt material i båda paketen lika stor, vilket ger dem liknande egenskaper för värmedissipation.

Varje förpackad enhet innehåller impedansmatchningskretsar vid ingångs- och utgångsportarna för optimal prestanda vid ISM-frekvensen (industriell, vetenskaplig och medicinsk) på 2,856 GHz, och uppnår en typisk dräneringseffektivitet på 60 % med 12-μs breda pulser vid 3 % arbetsfaktor. Effekttransistorerna hanterar ingångssignaleffektnivåer från 25,0 till 39,7 W och ger en typisk förstärkning på 11,8 dB.

Den 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT:n från Microsemi, som har funnits tillgänglig i flera år för pulsade radarförstärkare på C-bandet, ger en topputgångseffekt på 120 W från 3,9 till 4,2 GHz när den matas av en +50 V DC-försörjning. Den tillförlitliga guldmetalliserade transistorn är inrymd i ett hermetiskt förseglat flänsmonterat paket. När den karakteriseras med 200-μs långa pulser vid 10 % arbetscykel fungerar den med en typisk dräneringseffektivitet på 62 %. Förstärkningen är hög, typiskt 15,2 dB vid 3,9 och 4,2 GHz, med liten pulsdämpning, typiskt -0,15 dB eller bättre.

För dem som kräver större bandbredd, om än med mycket mindre effekt, är samma företags modell DC35GN-15-Q4 en GaN-on-SiC HEMT som är konstruerad i en linjär klass AB-konfiguration för användning i både pulsade och CW-tillämpningar från 5 MHz till 3,5 GHz. Inom detta frekvensområde ger den en typisk utgångseffekt på 19 W med CW-signaler eller med pulser som är så breda som 1000 μs vid 10 % arbetscykel. Den diskreta transistorn levereras i ett kompakt QFN-paket med lufthålor och stöder radar- och kommunikationssystemtillämpningar med en typisk dräneringseffektivitet på 66 %. Den är konstruerad för en matningsspänning på +50 V DC.

En annan diskret GaN-on-SiC-transistor med bredbandig hög effekt, MMRF5017HS från NXP Semiconductors, levereras i ett nedskruvat metallkeramikpaket med matchning av ingångsimpedansen för användning från 30 till 2200 MHz. Den mångsidiga +50-V DC-strömtransistorn kan hantera CW- och pulssignaler med hög effektivitet och förstärkning. Den levererar 125 W CW-utgångseffekt och 18 dB typisk förstärkning med 59,1 % dräneringseffektivitet vid 520 MHz och 80 W CW-utgångseffekt, 18,4 dB förstärkning och 44 % dräneringseffektivitet vid 940 MHz. När den testas med 2200 MHz, 100-μs pulser för en 20 % duty cycle, ger den en topputgångseffekt på 200 W.

Modell MMRF5014H från samma företag är en diskret GaN-transistor som kan användas i CW- och pulsdrift från 1 till 2700 MHz och som ger något mer effekt över en bredare bandbredd och i ett mer konventionellt flänsmonterat paket. Den har en topp- och CW-utgångseffekt på 125 W vid 2 500 MHz med en CW-förstärkning på 16 dB och en pulsförstärkning på 18 dB. Draineffektiviteten är 64 % eller bättre för både CW- och pulsade signaler (100-μs-pulser vid 20 % arbetscykel). När den testas för bredbandsdrift klarar den 100 W CW-utgångseffekt med 12 dB förstärkning från 200 till 2500 MHz, även om den typiska dräneringseffektiviteten sjunker till 40 %.

Den diskreta GaN-on-SiC-effekttransistorn QPD1029L som utvecklats av Qorvo är en av de GaN RF-effekttransistorer med högsta spänning som är konstruerade för en matningsspänning på +65 V dc. Dess ingång matchar ett par GaN-die i ett flänspaket med fyra ledningar för höga signaleffektnivåer från 1,2 till 1,4 GHz. Enheten är idealisk för L-bands pulserande radartillämpningar men är också användbar för att förstärka CW-signaler och uppnår en utgångseffekt på 1500 W med 300 µs breda pulser vid 10 % arbetscykel. Uteffekten är ett resultat av 21,3 dB linjär förstärkning för en ingångssignal på +46,2 dBm. Den typiska dräneringseffektiviteten vid 1,3 GHz är 62,5 %.

Många av dessa diskreta GaN-transistorer använder guldmetallisering för hög tillförlitlighet och är dimensionerade för en maximal drain-source (matningsspänning) på +150 V dc. Som exemplen visar är betydande topputgångseffekt möjlig från en enskild enhet som drivs med någon av de tre mest populära matningsspänningarna (+28, +40 och +50 V dc) – drift med en högre matningsspänning är ingen garanti för högre utgångseffekt.

I själva verket visade tillförlitlighetsstudier med hjälp av accelererad livstidstestning (av Cree)1 att GaN-on-SiC HEMT:er hanterade olika matningsspänningar lika bra. Även vid den högsta matningsspänningen (+50 V dc), medan vissa enheter uppvisade en liten försämring av den mättade utgångseffekten, möjligen på grund av inbränningsbeteende, hittades inga fel under accelererad livslängdstestning av transistorer som tillverkats med flera olika GaN-on-SiC-processer.

Cree erbjuder det bredaste sortimentet av diskreta GaN-on-SiC-transistorer, i både die- och förpackningsversioner. I die-form ger den diskreta GaN-on-SiC-transistorn CGHV1J025D tillräcklig (mättad) utgångseffekt på 25 W från 10 MHz till 18 GHz för att tjäna en mängd olika tillämpningar för punkt-till-punkt- och satellitkommunikation och marinradar. När transistorn testas vid +40 V dc i en testfixtur ger den 17 dB förstärkning av små signaler och 60 % typisk PAE vid 10 GHz. För mer effekt och samma förstärkning men mindre bandbredd ger företagets GaN-effekttransistor CGHV60040D en utgångseffekt på 40 W med 65 % PAE från DC till 6 GHz och en +40 V DC-försörjning.

Välj ett paket

För att öka flexibiliteten i layouten har Cree många av sina diskreta GaN-on-SiC-transistorer i flänsade och flänslösa pillförpackningar. Till exempel finns +50-V dc-modellen CGHV40100 i båda paketstilarna med samma prestandanivåer från dc till 3 GHz för var och en av de paketerade enheterna.

De diskreta effekttransistorerna, som finns tillgängliga hos distributören Mouser Electronics, kräver anpassning av ingångs- och utgångsimpedansen för en viss tillämpning. De har en mättad CW-utgångseffekt på 100 W vid 1 GHz, 141 W vid 1,5 GHz och 116 W vid 2,0 GHz, med 16,9 dB småsignalförstärkning vid 1 GHz och 17,5 dB förstärkning vid 2 GHz. Transistorn ger den höga effektivitet som GaN är känd för, med en dräneringseffektivitet på 68 % vid 0,5 GHz, 56 % vid 1 GHz och 54 % vid 2 GHz.

Av de förpackade enheterna är Crees CGHV14800 GaN HEMT (bild 1) en av de diskreta enheterna med högst effekt som finns tillgängliga, med inriktning på pulsade L-bands lufttrafikkontroller och väderradarer från 960 till 1400 MHz. Den levereras i ett robust paket med keramisk/metallfläns och ger en utgångseffekt på 1000 W med en typisk förstärkning på 15,5 dB och en typisk dräneringseffektivitet på 74 % vid 1,2 GHz.

1. Diskreta GaN-transistorer med hög effekt kräver robusta metall/keramik-paket för att hjälpa till att avleda värme, som den här L-band GaN-on-SiC-transistorn för L-bandstillämpningar från 960 till 1400 MHz. (Med tillstånd av Wolfspeed/Cree)

I sin övre frekvensgräns ger +50 V DC-transistorn fortfarande 910 W utgångseffekt och 15,1 dB förstärkning med 67 % typisk dräneringseffektivitet vid 1,4 GHz. Den klarar pulsade ingångseffektnivåer på +41 dBm för 100-μs-pulser vid 5 % maximal arbetscykel och lider endast av -0,3 dB pulsamplitudnedgång över sin bandbredd.

För en lägre spänningsförsörjning är modellen CGH40180PP från Cree en oöverträffad GaN-on-SiC HEMT i ett flänspaket med fyra ledningar (fig. 2) som är konstruerad för användning från dc till 3 GHz med +28 V dc dränspänning. Den är en effektiv signalförstärkare för cellulära infrastruktur- och testsystemtillämpningar och levererar 220 W typisk mättad CW-utgångseffekt från 1,1 till 1,3 GHz med 65 % typisk dräneringseffektivitet och 13 dB minsta effektförstärkning. Den lilla signalförstärkningen är typiskt 20 dB vid 1 GHz och 15 dB vid 2 GHz.

2. Modell CGH40180PP är en oöverträffad GaN-on-SiC HEMT i ett flänspaket med fyra ledningar för användning från DC till 3 GHz med +28-V DC-försörjning. (Med tillstånd av Wolfspeed/Cree)

Dessa representerar naturligtvis bara några få exempel på de högeffektiva RF/mikrovågsmöjligheterna hos GaN- och GaN-on-SiC-substrat. GaN på Si är en grund för ett växande antal produkter för kraftomvandling och laddning som drivs av företag som Texas Instruments och GaN Systems. Texas Instruments +600-V dc GaN FETs med integrerade drivrutiner har blivit nyckelkomponenter i många produkter för strömförsörjning och kraftomvandling. GaN Systems erbjuder en +650-V dc GaN HEMT-die för kraftomvandlare och motordrifter med hög effekttäthet.

GaN ger hög signaleffekt vid RF- och mikrovågsfrekvenser och kommer troligen att stadigt röra sig in i mmWave-frekvensområdet i takt med att behoven av signaleffekt ökar för tillämpningar som trådlös 5G-cellulär kommunikation och fordonsradar.