Prospettive di Mercato e Applicazioni per Amplificatori di Potenza GaN MMIC

Il prossimo smartphone che acquisterai probabilmente includerà un amplificatore di potenza MMIC GaN per la comunicazione wireless. Quello che una volta era relegato all'ambito accademico sta ora vedendo una rapida commercializzazione. Questi sviluppi non sono limitati agli smartphone, sebbene si preveda che questi rappresentino una parte significativa del crescente mercato dei componenti RF. Si prevede che il radar ad alta frequenza in ambito automobilistico, aerospaziale e persino nella robotica sarà un importante motore di ulteriore adozione dei MMIC GaN. Come area correlata che richiede semiconduttori con alta conducibilità termica e tensione di rottura, si prevede che gli amplificatori GaN-SiC e 4H-SiC troveranno ampio impiego nel settore dell'energia rinnovabile.

Le prove sono nei dati di mercato. Secondo gli ultimi dati di mercato dell'Associazione dei Fornitori Globali di telefonia mobile (GSA), oltre il 67% di tutti i dispositivi 5G supporta le bande di spettro sub-6 GHz e poco più del 34% supporta la comunicazione wireless mmWave. Più del 27% di tutti i dispositivi annunciati supporta sia la comunicazione wireless mmWave che sub-6 GHz. Man mano che più dispositivi si spingono nella gamma mmWave, e i metodi di raffreddamento per questi prodotti diventano più innovativi, le stime recenti collocano il valore globale del mercato degli amplificatori da $1,6 miliardi a $3 miliardi entro il 2023. Si prevede che il GaN rappresenterà il 43% di questa quota di mercato totale.

Con tutto l'entusiasmo attorno a questi componenti, è un buon momento per essere un progettista di RF, mobile, radar o di conversione di potenza. Se stai cercando modi per innovare, allora continua a leggere per vedere da dove arriverà la prossima crescita e perché i GaN MMIC sono critici per queste applicazioni.

Perché tutto questo entusiasmo per l'amplificatore di potenza GaN MMIC?

Il GaN è un semiconduttore ideale per i transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT), insieme al GaAs e al silicio massiccio. Le importanti differenze tra il GaN per applicazioni RF e Si o GaAs diventano chiare quando si confrontano le loro proprietà dei materiali. Una breve comparazione è mostrata nella tabella qui sotto.

Il vero vantaggio per l'elettronica di potenza RF emerge in due modi. Primo, la mobilità del Si nello strato di massa è maggiore rispetto allo strato di inversione, tuttavia il caso opposto si osserva nel GaN. Questo significa che il GaN ha una resistenza inferiore nello stato ON, che è una metrica cruciale per l'efficienza dei transistor. Secondo, ha una soglia di rottura più alta grazie al suo bandgap più ampio. Se il mondo della fotonica integrata diventasse mai commercializzato per l'uso a lunghezze d'onda UV, il GaN è un semiconduttore principale per EPIC UV.

Sebbene le conduttività termiche di GaN e Si siano simili, il GaN può tollerare una temperatura operativa molto più alta. Il GaN può anche essere coltivato su un substrato di SiC piuttosto che sul proprio. La conduttività termica del 4H-SiC è di 490 W/m•K, il che fornisce un dissipatore di calore ben integrato per i MOSFET GaN-SiC che funzionano ad alta frequenza con un'alta potenza di uscita. Tutte queste qualità stanno guidando la tecnologia di fonderia e la progettazione di dispositivi amplificatori di potenza MMIC GaN per un numero di applicazioni.

Applicazioni promettenti per gli amplificatori di potenza GaN

Ecco alcune delle applicazioni emergenti per gli amplificatori di potenza GaN.

Amplificatori per Telecomunicazioni

La proliferazione delle reti wireless LTE è un fattore primario di crescita che ha spinto il mercato degli amplificatori GaN. I lanci del 5G vedranno un maggiore utilizzo di amplificatori GaN/GaN-SiC nelle reti di backhaul wireless e nelle stazioni base, rappresentando il 50% della crescita di mercato in questo settore. Per i progettisti di schede, gli amplificatori GaN/GaN-SiC saranno una scelta ideale poiché questi componenti richiedono meno attrezzature di raffreddamento sia a bordo che fuori bordo.

Automotive, Difesa e Aerospaziale

L'applicazione ad alta frequenza primaria in questo settore è il radar nella banda W (per l'automotive) e nella banda M della NATO (per l'aerospaziale/difesa). I dispositivi GaN possono supportare le frequenze più elevate richieste grazie alla loro dispersione/piatta capacità di uscita. I radar a frequenze che arrivano fino alla banda W richiederanno l'allontanamento dai dispositivi GaAs. La tensione utile più elevata nei dispositivi GaN fornisce anche una maggiore potenza di uscita rispetto ai GaAs, il che consente una portata maggiore.

I dispositivi GaN sono un'ottima scelta per le catene di segnale radar automobilistico a lungo raggio che operano a circa 77 GHz. Con la riduzione dei costi dei componenti grazie a una maggiore capacità delle fonderie e a una concorrenza aumentata, diminuirà anche il costo dei moduli radar per queste applicazioni. La proliferazione di moduli trasmettitori integrati e SoC per il radar automobilistico sta inoltre fornendo ingombri più ridotti per i nuovi prodotti.

Conversione di Potenza per l'Energia Alternativa

Sebbene non sia un'applicazione ad alta frequenza, la conversione di potenza efficiente ad alta tensione con lunga affidabilità richiede dispositivi che possano resistere ad alte temperature e dissipare rapidamente il calore. GaN-Si e GaN-SiC si adattano bene a questo scopo, anche se la maggiore conducibilità termica dei substrati di SiC favorisce GaN-SiC per applicazioni ad alta tensione/alta potenza. I nuovi amplificatori di potenza GaN stanno abilitando la conversione di potenza in applicazioni industriali trifase, distribuzione/conversione di potenza e elettronica automobilistica fino alla gamma dei kV.

Con una maggiore commercializzazione e domanda in queste nuove aree, i progettisti hanno bisogno di sapere quali componenti sono disponibili per i nuovi prodotti. Puoi recarti su Octopart per trovare il tuo prossimo amplificatore di potenza MMIC GaN, e puoi importare rapidamente i dati di progettazione per i tuoi componenti in Altium Designer.

La ricerca di componenti del produttore e le funzionalità di simulazione dei circuiti in Altium Designer sono ideali per gli innovatori che lavorano in queste nuove aree intense. Gli ingegneri di layout avranno accesso a un set completo di strumenti per la progettazione di stackup, il controllo dell'impedenza e molto altro. Ora puoi scaricare una prova gratuita di Altium Designer e scoprire di più sui migliori strumenti di layout, simulazione e pianificazione della produzione presenti nel settore. Parla oggi stesso con un esperto Altium per saperne di più.