Perspectives du marché des amplificateurs de puissance MMIC GaN et applications

Le prochain smartphone que vous achèterez inclura probablement un amplificateur de puissance MMIC GaN pour la communication sans fil. Ce qui était autrefois relégué au monde académique connaît maintenant une commercialisation rapide. Ces développements ne sont pas limités aux smartphones, bien que ceux-ci devraient représenter une part significative du marché croissant des composants RF. Le radar à haute fréquence dans l'automobile, l'aérospatiale et même la robotique devrait être un moteur significatif de l'adoption supplémentaire des MMIC GaN. Dans un domaine connexe nécessitant des semi-conducteurs avec une haute conductivité thermique et une tension de claquage élevée, les amplificateurs GaN-SiC et 4H-SiC devraient connaître une utilisation abondante dans le secteur de l'énergie renouvelable.

La preuve est dans les données du marché. Selon les dernières données du marché de l'Association mondiale des fournisseurs mobiles (GSA), plus de 67 % de tous les appareils 5G prennent en charge les bandes de spectre sub-6 GHz et juste au-dessus de 34 % prennent en charge la communication sans fil mmWave. Plus de 27 % de tous les appareils annoncés prennent en charge à la fois la communication sans fil mmWave et sub-6 GHz. À mesure que davantage d'appareils s'aventurent dans la gamme mmWave, et que les méthodes de refroidissement pour ces produits deviennent plus innovantes, les estimations récentes placent la valeur du marché mondial des amplificateurs de 1,6 milliard de dollars à 3 milliards de dollars d'ici 2023. Le GaN devrait représenter 43 % de cette part totale du marché.

Avec tout l'enthousiasme autour de ces composants, c'est un bon moment pour être concepteur RF, mobile, radar ou de conversion de puissance. Si vous cherchez des moyens d'innover, alors continuez à lire pour voir d'où vient la croissance prochaine et pourquoi les MMIC GaN sont critiques pour ces applications.

Pourquoi l'enthousiasme pour l'amplificateur de puissance MMIC GaN ?

Le GaN est un semi-conducteur idéal pour les transistors à haute mobilité électronique (HEMT), aux côtés du GaAs et du silicium massif. Les différences importantes entre le GaN pour les applications RF et le Si ou le GaAs deviennent claires lorsque leurs propriétés matérielles sont comparées. Une brève comparaison est présentée dans le tableau ci-dessous.

L'avantage réel pour l'électronique de puissance RF se manifeste de deux manières. Premièrement, la mobilité du Si dans la couche de masse est plus grande que dans la couche d'inversion, alors que le cas opposé est observé dans le GaN. Cela signifie que le GaN a une résistance plus faible en état ON, ce qui est une métrique cruciale pour l'efficacité des transistors. Deuxièmement, il possède un seuil de rupture plus élevé grâce à son large bande interdite. Si le monde de la photonique intégrée devient un jour commercialisé pour une utilisation à des longueurs d'onde UV, le GaN est un semi-conducteur de choix pour les EPICs UV.

Bien que les conductivités thermiques du GaN et du Si soient similaires, le GaN peut tolérer une température de fonctionnement beaucoup plus élevée. Le GaN peut également être cultivé sur un substrat de SiC plutôt que sur le sien. La conductivité thermique du 4H-SiC est de 490 W/m•K, ce qui fournit un dissipateur thermique intégré efficace pour les MOSFETs GaN-SiC fonctionnant à haute fréquence avec une sortie de puissance élevée. Toutes ces qualités stimulent la technologie de fonderie et la conception des dispositifs d'amplificateurs de puissance MMIC GaN pour un certain nombre d'applications.

Applications prometteuses pour les amplificateurs de puissance GaN

Voici quelques-unes des applications émergentes pour les amplificateurs de puissance GaN.

Amplificateurs pour Télécom

La prolifération des réseaux sans fil LTE est un facteur de croissance primaire qui a stimulé le marché des amplificateurs GaN. Les déploiements de la 5G verront une utilisation accrue des amplificateurs GaN/GaN-SiC dans les liaisons sans fil de retour et les stations de base, représentant 50 % de la croissance du marché dans ce domaine. Pour les concepteurs de cartes, les amplificateurs GaN/GaN-SiC seront un choix idéal car ces composants nécessitent moins d'équipements de refroidissement à bord et hors bord.

Automobile, Défense et Aérospatiale

L'application haute fréquence principale dans ce domaine est le radar dans la bande W (pour l'automobile) et la bande M de l'OTAN (pour l'aérospatiale/défense). Les dispositifs GaN peuvent supporter les fréquences supérieures requises grâce à leur dispersion/capacité de sortie plate. Le radar à des fréquences allant jusqu'à la bande W nécessitera de s'éloigner des dispositifs GaAs. La tension utile plus élevée dans les dispositifs GaN fournit également une sortie de puissance supérieure par rapport au GaAs, ce qui permet une portée plus longue.

Les dispositifs GaN sont un excellent choix pour les chaînes de signal radar automobile à longue portée fonctionnant à environ 77 GHz. À mesure que les coûts des composants diminuent grâce à une plus grande capacité de fonderie et à une concurrence accrue, le coût des modules radar pour ces applications diminuera également. La prolifération des modules émetteurs-récepteurs intégrés et des SoC pour le radar automobile offre également des empreintes plus petites pour les nouveaux produits.

Conversion d'énergie pour l'énergie alternative

Bien que n'étant pas une application à haute fréquence, une conversion d'énergie efficace à haute tension avec une longue fiabilité nécessite des dispositifs capables de résister à des températures élevées et de dissiper rapidement la chaleur. Les GaN-Si et GaN-SiC conviennent bien, bien que la conductivité thermique plus élevée des substrats SiC favorise les GaN-SiC pour les applications à haute tension/à haute puissance. Les nouveaux amplificateurs de puissance GaN permettent la conversion d'énergie dans les applications industrielles triphasées, la distribution/conversion d'énergie et l'électronique automobile jusqu'à la gamme des kV.

Avec une plus grande commercialisation et une demande dans ces nouveaux domaines, les concepteurs doivent savoir quels composants sont disponibles pour les nouveaux produits. Vous pouvez vous rendre sur Octopart pour trouver votre prochain amplificateur de puissance MMIC GaN, et vous pouvez rapidement importer les données de conception pour vos composants dans Altium Designer.

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