Perspectivas del mercado de amplificadores de potencia MMIC de GaN y aplicaciones

Es probable que el próximo teléfono inteligente que compres incluya un amplificador de potencia MMIC de GaN para la comunicación inalámbrica. Lo que anteriormente estaba relegado a la academia ahora está viendo una rápida comercialización. Estos desarrollos no están limitados a los teléfonos inteligentes, aunque se espera que esto represente una parte significativa del creciente mercado de componentes RF. Se espera que el radar de alta frecuencia en automoción, aeroespacial e incluso robótica sea un importante impulsor de la adopción adicional de MMIC de GaN. Como un área relacionada que requiere semiconductores con alta conductividad térmica y voltaje de ruptura, se espera que los amplificadores GaN-SiC y 4H-SiC vean un uso copioso en el sector de la energía renovable.

La prueba está en los datos del mercado. Según los últimos datos de mercado de la Asociación Global de Proveedores Móviles (GSA), más del 67% de todos los dispositivos 5G soportan bandas de espectro sub-6 GHz y justo más del 34% soportan comunicación inalámbrica mmWave. Más del 27% de todos los dispositivos anunciados soportan tanto la comunicación inalámbrica mmWave como sub-6 GHz. A medida que más dispositivos avanzan hacia el rango mmWave, y los métodos de enfriamiento para estos productos se vuelven más innovadores, estimaciones recientes sitúan el valor del mercado global de amplificadores desde $1.6B hasta $3B para 2023. Se proyecta que GaN representará el 43% de esta cuota de mercado total.

Con toda la emoción alrededor de estos componentes, es un buen momento para ser un diseñador de RF, móvil, radar o de conversión de potencia. Si estás buscando maneras de innovar, entonces sigue leyendo para ver de dónde vendrá el próximo crecimiento y por qué los MMICs de GaN son críticos para estas aplicaciones.

¿Por qué la emoción por el Amplificador de Potencia MMIC de GaN?

GaN es un semiconductor ideal para transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), junto con GaAs y silicio en masa. Las diferencias importantes entre GaN para aplicaciones de RF y Si o GaAs se hacen evidentes cuando se comparan sus propiedades materiales. A continuación, se muestra una breve comparación en la tabla.

La verdadera ventaja para la electrónica de potencia RF surge de dos maneras. Primero, la movilidad del Si en la capa a granel es mayor que en la capa de inversión, sin embargo, en el caso del GaN se observa lo contrario. Esto significa que el GaN tiene una resistencia más baja en el estado ON, lo cual es una métrica crucial para la eficiencia del transistor. Segundo, tiene un umbral de ruptura más alto gracias a su banda prohibida más amplia. Si el mundo de la fotónica integrada alguna vez se comercializa para su uso en longitudes de onda UV, el GaN es un semiconductor principal para EPICs UV.

Aunque las conductividades térmicas del GaN y el Si son similares, el GaN puede tolerar una temperatura operativa mucho más alta. El GaN también puede crecerse sobre un sustrato de SiC en lugar de sobre sí mismo. La conductividad térmica del 4H-SiC es de 490 W/m•K, lo que proporciona un disipador de calor integrado eficazmente para MOSFETs GaN-SiC que operan a alta frecuencia con una alta salida de potencia. Todas estas cualidades están impulsando la tecnología de fundición y el diseño de dispositivos amplificadores de potencia MMIC de GaN para una serie de aplicaciones.

Aplicaciones prometedoras para amplificadores de potencia GaN

A continuación, se presentan algunas de las aplicaciones emergentes para amplificadores de potencia GaN.

Amplificadores para Telecomunicaciones

La proliferación de redes inalámbricas LTE es un factor de crecimiento primario que ha impulsado el mercado de amplificadores GaN. Las implementaciones de 5G verán un mayor uso de amplificadores GaN/GaN-SiC en backhaul inalámbrico y estaciones base, representando el 50% del crecimiento del mercado en esta área. Para los diseñadores de placas, los amplificadores GaN/GaN-SiC serán una opción ideal ya que estos componentes requieren menos equipo de enfriamiento tanto a bordo como fuera de bordo.

Automotriz, Defensa y Aeroespacial

La aplicación de alta frecuencia primaria en esta área es el radar en la banda W (para automoción) y la banda M de la OTAN (para aeroespacial/defensa). Los dispositivos GaN pueden soportar las frecuencias más altas requeridas gracias a su dispersión plana/capacitancia de salida. El radar en frecuencias que alcanzan hasta la banda W requerirá alejarse de los dispositivos GaAs. El voltaje útil más alto en los dispositivos GaN también proporciona una salida de potencia más alta en comparación con GaAs, lo que permite un mayor alcance.

Los dispositivos GaN son una excelente opción para cadenas de señal de radar automotriz de largo alcance que funcionan a ~77 GHz. A medida que el costo de los componentes disminuye debido a una mayor capacidad de las fundiciones y un aumento de la competencia, también lo hará el costo de los módulos de radar para estas aplicaciones. La proliferación de módulos transceptores integrados y SoCs para radar automotriz también está proporcionando huellas más pequeñas para nuevos productos.

Conversión de Energía para Energía Alternativa

Aunque no es una aplicación de alta frecuencia, la conversión de energía eficiente a alta tensión con larga fiabilidad requiere dispositivos que puedan soportar altas temperaturas y disipar el calor rápidamente. GaN-Si y GaN-SiC se ajustan bien a estas necesidades, aunque la mayor conductividad térmica de los sustratos de SiC favorece a GaN-SiC para aplicaciones de alta tensión/alta potencia. Los nuevos amplificadores de potencia GaN están habilitando la conversión de energía en aplicaciones industriales trifásicas, distribución/conversión de energía y electrónica automotriz hasta el rango de kV.

Con una mayor comercialización y demanda en estas nuevas áreas, los diseñadores necesitan saber qué componentes están disponibles para nuevos productos. Puedes dirigirte a Octopart para encontrar tu próximo amplificador de potencia MMIC GaN, y puedes importar rápidamente datos de diseño para tus componentes en Altium Designer.

La búsqueda de componentes de fabricante y las características de simulación de circuitos en Altium Designer son ideales para innovadores que trabajan en estas nuevas áreas intensas. Los ingenieros de diseño de layout tendrán acceso a un conjunto completo de herramientas para el diseño de stackup, control de impedancia y mucho más. Ahora puedes descargar una prueba gratuita de Altium Designer y aprender más sobre las mejores herramientas de layout, simulación y planificación de producción de la industria. Habla hoy con un experto de Altium para saber más.