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几分钟带你了解GaN在射频功率领域的巨大作用

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发表于 2019-11-9 23:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

当今比较火的话题,不是碳化硅就是氮化镓?电子元器件




        现在和小编一起看看氮化镓:



        让我们回顾下不同衬底风格的GN:硅基、碳化硅(SC)衬底或者金刚石衬底。



        硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。



        碳化硅衬底氮化镓:这是射频氮化镓的“高端”版本,SC衬底氮化镓可以提供更高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在苛刻的环境下使用。



        金刚石衬底氮化镓:将这两种东西结合在一起是很难的,但是好处也是巨大的:在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。



        金刚石衬底GN主要是应用于美国国防部高级研究计划署(DARPA)的近结热传输项目(NJTT),始于2011年,在这个项目中TQ和布里 斯托大学第四研究室是合作伙伴,而且洛克希德·马丁也是参与者。该团队在2013年宣布他们已经实现了连续三次提高了GN--SC的功率密 度。这意味着可以把金刚石衬底氮化镓芯片缩小三倍或把其射频功率提升3倍,该项目完成了设计测试评估,很可能金刚石衬底GN将在5年内满足其制造性要求。



        GN赢在哪里?



        下面列出GN的几个突出优点:



        1有源相控阵(AESA)雷达和电子战(EW)系统:这些是碳化硅衬底氮化镓(或者是金刚石衬底)晶体管或者单片微波集成电路(MMIC)的关键应用,而且多年来已经成为这个领域的事实标准,因为当前或再过几年都没有其他技术可以可供碳化硅衬底氮化镓的功率密度和其他优势。



        下图显示了K波段砷化镓和碳化硅衬底氮化镓MMIC射频功率放大器(如图2所示)的构成。两者都由TQ制造。每个放大器在30GH提供6W 射频功率,不过,氮化镓所需的有源器件更少,所以MMIC只需要一个简单的四路功率合成器。砷化镓MMIC放大器需要更多的器件而且电路更复杂,因为它必 须包含32路功率合成器,它影响了MMIC的最终尺寸。砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小,而GN 放大器则大约是生米粒大小。



         



        图1:砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小,而GN 放大器大约是生米粒大小



        显 然笼统来看这两个器件都不大,但当考虑应用的时候例如相控阵雷达时氮化镓的优势很明显了。AESA雷达可能有70000个部件,每一个由基于MMIC的 发射接收模块伺服,相对于砷化镓MMIC来说,氮化镓MMIC的尺寸可以更小,再结合氮化镓的高功率输出和更高的工作频率,氮化镓器件在相控阵雷达中 取代砷化镓是理所当然的了。



        2工作在4 GH以上大功率、宽带系统:除了氮化镓没有其他技术可以提供这些系统所需要的性能。从非常小的用于卫星通信合成孔径终端(VSAT)到更高频段的微波链路,氮化镓将是其不二的选择。



        3一些低噪声放大器():尽管GN和GA在噪声性能方面不分伯仲,但是GN可以处理已经失真或失效的更大幅度信号。氮化镓在这些低噪声放大器领域不会很快取代砷化镓、硅锗(锗硅)或任何其他技术。然而在处理高电平信号时,GN有其独特的优势。



        4 高功率射频开关和其他控制组件:GN的高击穿电压和电流处理能力使其比基于砷化镓MMIC更适合做开关。它们也可以工作在高效宽带领域,它们有相同的低 插入损耗和高隔离的PIN二极管开关,可以处理更高功率且电流消耗低,TQ的TGS2354 碳化硅衬底氮化镓SPDT反射开关裸片(图3)覆盖了500MH到6GH频段,可处理40 W射频功率,开关速度不到50 ,亏损仅为08 B或更少并且隔离度大于25B。



         



        图2:TQ的TGS2354 GN--SC开关适合适合大功率应用的要求



        前途一片光明



        假如将GN在RF领域的发展分成几个章节;在第一章完成初始开发之后,现在我们刚刚完成了第二章。到目前为止,已经建立了一个商业市场,已经确定了设备可 靠性和制造能力,晶圆尺寸已经达到6英寸,许多已经展示了材料的潜力,这一切都在2000年前后实现,自从1980年代开始发展砷化镓MMIC以来, 这是取得的最瞩目的成就。



        在接下来的章节中,GN将开始获取更多发展潜力。热管理技术,其技术进步的主要因素是解决使用金刚石作为衬底和 热辊材料(在铝-金刚石模型复合材料中),散热片的进步通过使用高导热系数的材料和其他技术。这些其他方法可让功率密度增加。而晶体管门功率密度实际是低于10 W  (砷化镓不超过15 W 毫米),现在一个非常简单的器件可以有高达



         



        图3:C的碳化硅HEMT可提供比硅和砷化镓晶体管更大的功率密度和更宽的带宽。带宽的系列范围从10 M通过18G



        氮化镓像之前的砷化镓一样,在国防系统中将是至关重要的,主要用于但不限于AESA雷达和电子战以满足下一代需求。有几个非常大的项目在未来或多或少都依 赖它。因此,氮化镓MMIC在商业市场将激增并且国防承包商将开始部署它们。GN在商业应用未来如无线基础设施一样绝对是前途一片光明,但进一步的接受 程度取决于其成本是否进一步降低。



        简而言之,氮化镓现在才是刚刚发力,十年内其前途辉煌。整个发展故事值得好好读读,随着GN所向披靡,那么砷化镓和LDMOS终将会成为历史。
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