Marktausblick und Anwendungen für GaN-MMIC-Leistungsverstärker

Das nächste Smartphone, das Sie kaufen, wird wahrscheinlich einen GaN MMIC-Leistungsverstärker für die drahtlose Kommunikation enthalten. Was früher der Wissenschaft vorbehalten war, erlebt nun eine schnelle Kommerzialisierung. Diese Entwicklungen beschränken sich nicht nur auf Smartphones, obwohl dies einen erheblichen Teil des wachsenden Marktes für HF-Komponenten ausmachen dürfte. Hochfrequenzradar in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und sogar in der Robotik wird voraussichtlich ein bedeutender Treiber für die weitere Adoption von GaN MMIC sein. Als ein verwandter Bereich, der Halbleiter mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Durchbruchspannung erfordert, wird erwartet, dass GaN-SiC und 4H-SiC Verstärker im Bereich der erneuerbaren Energien reichlich Einsatz finden.

Der Beweis liegt in den Marktdaten. Laut den neuesten Marktdaten der Global Mobile Suppliers Association (GSA) unterstützen über 67% aller 5G-Geräte Sub-6-GHz-Frequenzbänder und etwas mehr als 34% unterstützen mmWave-Drahtloskommunikation. Mehr als 27% aller angekündigten Geräte unterstützen sowohl mmWave als auch Sub-6-GHz-Drahtloskommunikation. Da immer mehr Geräte in den mmWave-Bereich vordringen und die Kühlmethoden für diese Produkte innovativer werden, schätzen aktuelle Prognosen den globalen Verstärkermarkt auf einen Wert von 1,6 Milliarden bis 3 Milliarden US-Dollar bis 2023. GaN soll 43% dieses gesamten Marktanteils ausmachen.

Mit all der Aufregung um diese Komponenten ist es eine gute Zeit, ein RF-, Mobil-, Radar- oder Leistungsumwandlungs-Designer zu sein. Wenn Sie nach Wegen suchen, um zu innovieren, dann lesen Sie weiter, um zu sehen, wo das nächste Wachstum kommt und warum GaN MMICs für diese Anwendungen entscheidend sind.

Warum die Aufregung um den GaN MMIC Leistungsverstärker?

GaN ist ein ideales Halbleitermaterial für Hoch-Elektronen-Mobilitäts-Transistoren (HEMT), neben GaAs und Bulk-Silizium. Die wichtigen Unterschiede zwischen GaN für RF-Anwendungen und Si oder GaAs werden deutlich, wenn ihre Materialeigenschaften verglichen werden. Ein kurzer Vergleich wird in der untenstehenden Tabelle gezeigt.

Der wirkliche Vorteil für die Leistungselektronik im RF-Bereich ergibt sich auf zwei Arten. Erstens ist die Beweglichkeit von Si in der Bulk-Schicht größer als in der Inversionsschicht, während im Falle von GaN das Gegenteil beobachtet wird. Das bedeutet, dass GaN einen geringeren Widerstand im EIN-Zustand hat, was eine entscheidende Kennzahl für die Transistoreffizienz ist. Zweitens hat es eine höhere Durchbruchschwelle dank seines breiteren Bandabstands. Wenn die integrierte Photonik-Welt jemals für den Einsatz bei UV-Wellenlängen kommerzialisiert wird, ist GaN ein erstklassiger Halbleiter für UV-EPICs.

Obwohl die thermischen Leitfähigkeiten von GaN und Si ähnlich sind, kann GaN eine viel höhere Betriebstemperatur tolerieren. GaN kann auch auf einem SiC-Substrat anstatt auf seinem eigenen gewachsen werden. Die thermische Leitfähigkeit von 4H-SiC beträgt 490 W/m•K, was einen schön integrierten Kühlkörper für GaN-SiC-MOSFETs bietet, die mit hoher Frequenz und hoher Leistung betrieben werden. All diese Eigenschaften treiben die Gießereitechnologie und das Design von GaN-MMIC-Leistungsverstärkergeräten für eine Reihe von Anwendungen voran.

Versprechende Anwendungen für GaN-Leistungsverstärker

Folgende sind einige der aufkommenden Anwendungen für GaN-Leistungsverstärker.

Verstärker für Telekommunikation

Die Verbreitung von LTE-Funknetzen ist ein primärer Wachstumsfaktor, der den GaN-Verstärkermarkt vorantreibt. Mit dem Ausbau von 5G wird eine größere Nutzung von GaN/GaN-SiC-Verstärkern in drahtlosen Backhaul-Netzen und Basisstationen erwartet, was 50% des Marktwachstums in diesem Bereich ausmachen wird. Für Platinen-Designer werden GaN/GaN-SiC-Verstärker eine ideale Wahl sein, da diese Komponenten weniger Kühlung auf und außerhalb der Platine benötigen.

Automobilindustrie, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt

Die primäre Hochfrequenzanwendung in diesem Bereich ist Radar im W-Band (für die Automobilindustrie) und im M-Band der NATO (für Luft- und Raumfahrt/Verteidigung). GaN-Geräte können die erforderlichen höheren Frequenzen dank ihrer flachen Dispersion/Ausgangskapazität unterstützen. Radar mit Frequenzen bis zum W-Band wird eine Abkehr von GaAs-Geräten erfordern. Die höhere nutzbare Spannung in GaN-Geräten bietet auch eine höhere Leistungsabgabe im Vergleich zu GaAs, was eine größere Reichweite ermöglicht.

GaN-Bauelemente sind eine ausgezeichnete Wahl für langstreckige automotive Radar-Signalketten, die bei ~77 GHz arbeiten. Da die Komponentenkosten durch größere Gießereikapazitäten und zunehmenden Wettbewerb sinken, werden auch die Kosten für Radarmodule für diese Anwendungen sinken. Die Verbreitung von integrierten Transceiver-Modulen und SoCs für Automobilradar ermöglicht auch kleinere Bauformen für neue Produkte.

Leistungsumwandlung für alternative Energie

Obwohl es sich nicht um eine Hochfrequenzanwendung handelt, erfordert effiziente Leistungsumwandlung bei hoher Spannung mit langer Zuverlässigkeit Bauelemente, die hohen Temperaturen standhalten und Wärme schnell ableiten können. GaN-Si und GaN-SiC eignen sich gut, obwohl die höhere Wärmeleitfähigkeit von SiC-Substraten GaN-SiC für hochspannungs/hochleistungsanwendungen bevorzugt. Neuere GaN-Leistungsverstärker ermöglichen die Leistungsumwandlung in dreiphasigen industriellen Anwendungen, bei der Energieverteilung/-umwandlung und in der Automobil-Elektronik bis in den kV-Bereich.

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