Перспективы рынка и применение усилителей мощности на основе GaN ММИС

Следующий смартфон, который вы купите, скорее всего, будет включать в себя усилитель мощности GaN MMIC для беспроводной связи. То, что раньше было предметом академических исследований, теперь быстро коммерциализируется. Эти разработки не ограничиваются только смартфонами, хотя ожидается, что они составят значительную часть растущего рынка компонентов для радиочастотных устройств. Ожидается, что высокочастотные радары в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли и даже в робототехнике станут значительным фактором дальнейшего распространения GaN MMIC. В связанной области, требующей полупроводников с высокой теплопроводностью и напряжением пробоя, усилители GaN-SiC и 4H-SiC ожидают найти широкое применение в секторе возобновляемой энергии.

Доказательства находятся в рыночных данных. Согласно последним данным рынка от Global mobile Suppliers Association (GSA), более 67% всех устройств 5G поддерживают спектральные диапазоны ниже 6 ГГц, и чуть более 34% поддерживают беспроводную связь в диапазоне миллиметровых волн. Более 27% всех анонсированных устройств поддерживают как миллиметровые волны, так и беспроводную связь в диапазоне ниже 6 ГГц. По мере того как больше устройств переходит в диапазон миллиметровых волн и методы охлаждения этих продуктов становятся более инновационными, последние оценки оценивают глобальную стоимость рынка усилителей от 1,6 млрд до 3 млрд долларов к 2023 году. Предполагается, что GaN составит 43% этой общей доли рынка.

С учетом всего волнения вокруг этих компонентов, сейчас отличное время, чтобы быть дизайнером в области радиочастот, мобильных технологий, радаров или преобразования мощности. Если вы ищете способы инноваций, то читайте дальше, чтобы узнать, откуда ожидается рост и почему GaN MMIC критичны для этих приложений.

Почему возбуждение вокруг GaN MMIC усилителей мощности?

GaN является идеальным полупроводником для транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), наряду с GaAs и монокристаллическим кремнием. Важные различия между GaN для радиочастотных приложений и Si или GaAs становятся очевидными, когда сравниваются их материальные свойства. Краткое сравнение показано в таблице ниже.

Реальное преимущество для мощной РЧ электроники проявляется двумя способами. Во-первых, подвижность Si в объемном слое больше, чем в инверсионном, однако в случае GaN наблюдается обратная ситуация. Это означает, что GaN имеет меньшее сопротивление в состоянии ВКЛ, что является ключевым показателем эффективности транзистора. Во-вторых, он имеет более высокий порог пробоя благодаря своему широкому запрещенному зазору. Если мир интегрированной фотоники когда-либо будет коммерциализирован для использования на УФ длинах волн, GaN станет идеальным полупроводником для УФ EPICs.

Хотя теплопроводности GaN и Si схожи, GaN может выдерживать гораздо более высокую рабочую температуру. GaN также может быть выращен на подложке из SiC, а не на собственной. Теплопроводность 4H-SiC составляет 490 Вт/м•К, что обеспечивает хорошо интегрированный теплоотвод для GaN-SiC MOSFETs, работающих на высокой частоте с высокой мощностью. Все эти качества стимулируют технологии производства и дизайн GaN MMIC усилителей мощности для ряда приложений.

Перспективные приложения для усилителей мощности GaN

Вот некоторые перспективные области применения усилителей на основе GaN.

Усилители для телекоммуникаций

Распространение беспроводных сетей LTE является основным фактором роста, который стимулировал рынок усилителей GaN. Развертывание сетей 5G приведет к более широкому использованию усилителей GaN/GaN-SiC в беспроводных системах обратной связи и базовых станциях, что составит 50% роста рынка в этой области. Для разработчиков плат усилители GaN/GaN-SiC будут идеальным выбором, поскольку эти компоненты требуют меньше охлаждающего оборудования на плате и вне ее.

Автомобильная промышленность, оборона и аэрокосмическая отрасль

Основное применение высоких частот в этой области - радары в W-диапазоне (для автомобильной промышленности) и M-диапазоне НАТО (для аэрокосмической отрасли/обороны). Устройства на основе GaN могут поддерживать необходимые более высокие частоты благодаря их плоской дисперсии/выходной емкости. Радары на частотах до W-диапазона потребуют отхода от устройств на основе GaAs. Более высокое полезное напряжение в устройствах на основе GaN также обеспечивает более высокую мощность на выходе по сравнению с GaAs, что позволяет увеличить дальность.

Устройства на основе GaN являются отличным выбором для дальнобойных радиолокационных цепей автомобилей, работающих на частоте ~77 ГГц. По мере снижения стоимости компонентов за счет увеличения производственных мощностей и роста конкуренции, также будет снижаться стоимость радиолокационных модулей для этих приложений. Распространение интегрированных модулей передатчика и систем на кристалле (SoC) для автомобильных радаров также обеспечивает меньшие размеры для новых продуктов.

Преобразование энергии для альтернативных источников

Хотя это и не приложение высокой частоты, эффективное преобразование энергии при высоком напряжении с длительной надежностью требует устройств, способных выдерживать высокие температуры и быстро рассеивать тепло. GaN-Si и GaN-SiC хорошо подходят для этой задачи, хотя более высокая теплопроводность подложек из SiC делает GaN-SiC предпочтительнее для высоковольтных/высокомощных приложений. Новые усилители мощности на GaN позволяют осуществлять преобразование мощности в трехфазных промышленных системах, системах распределения/преобразования энергии и автомобильной электронике до диапазона кВ.

С увеличением коммерциализации и спроса в этих новых областях, разработчикам необходимо знать, какие компоненты доступны для новых продуктов. Вы можете перейти на Octopart, чтобы найти свой следующий усилитель мощности GaN MMIC, и быстро импортировать данные о компонентах в Altium Designer.

Функции поиска производственных компонентов и симуляции схем в Altium Designer® идеально подходят для инноваторов, работающих в этих новых направлениях. Инженеры по компоновке получат доступ к полному набору инструментов для проектирования стека, контроля импеданса и многого другого. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.