Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.
Сергей Шихов, технический директор А-КОНТРАКТ:
Полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия для высокочастотной техники разработаны относительно недавно. Однако данные приборы, несмотря на их сравнительно более высокую стоимость, уже начинают приобретать все большую и большую популярность в области ВЧ и СВЧ. Полностью заменить транзисторы, выполненные на основе арсенида галлия и тем более кремния, они пока не способны, но, безусловно, каждому из них найдется своя рыночная ниша.
Статья предлагает обзор преимуществ и недостатков технологии GaN и ее конкурентов для ВЧ-/СВЧ-устройств, а также в качестве дополнения представляет двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering.
Введение
Инженеры, которые в последние 10–15 лет занимались проектированием высокочастотных устройств, уже хорошо осведомлены об особенностях такого полупроводникового материала, как нитрид галлия (GaN), и постепенном завоевании им рынка высокочастотных полупроводниковых приборов, которые находят широкое применение в различных приложениях. Теме превосходства GaN над его конкурентами, выполненными на основе классического кремния (Si) и хорошо зарекомендовавшего себя в прошлом арсенида галлия (GaAs), посвящено очень много технических статей, информации по применению, блогов и вебинаров.
Однако для того, чтобы понять преимущества (и недостатки) той или иной полупроводниковой технологии для каждого конкретного приложения, важно точно знать разницу между этими технологиями и трезво оценивать их возможности. С этой целью давайте проведем краткий анализ приборов и технологий, используемых в технике высоких (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ).
Лампы бегущей волны
Лампы бегущей волны (ЛБВ, в англ. TWT от travelling-wave tube) исторически использовались для усиления мощности на высоких частотах, когда требовалось достичь высокой мощности (рис. 1).
ЛБВ — это электровакуумные приборы, в которых для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении ЛБВ. Они специально разработаны для усиления ВЧ-сигналов в диапазоне от 300 МГц до области миллиметровых частот (до 50 ГГц, по некоторым данным до 300 ГГц).
Несмотря на то, что ЛБВ способны справляться с высокими уровнями мощности и все еще применяются в некоторых приложениях, они из-за своей низкой надежности, большого размера и разбросов характеристик, связанных с наличием конструктивных отклонений, в настоящее время считаются морально устаревшими компонентами, хотя и выпускаются почти десятком компаний в разных странах.
Полевые Si-транзисторы с латеральным рассеиванием на основе оксидов металлов и полупроводников
МОП-транзисторы, в данном случае речь пойдет об их разновидности LDMOS (от англ. laterally diffused metal oxide semiconductor) — транзисторах с латеральным рассеиванием, имеют одно значительное преимущество. Поскольку большинство устройств LDMOS изготовлено на базе кремния, они выигрывают с точки зрения способности обеспечить усиление для достижения высокой мощности при низкой стоимости. LDMOS транзисторы могут обеспечить более 100 Вт высокочастотной выходной мощности в области СВЧ и до киловатт мощности на частотах, не превышающих 1 ГГц.
Пока производители работают над их дальнейшим усовершенствованием, главным правилом при проектировании остается следующее: «LDMOS-транзисторы хорошо подходят для широкополосного усиления ниже 1 ГГц, а также для узкополосного на частотах выше 1 ГГц». Кроме того, LDMOS считаются надежными компонентами, чрезвычайно устойчивыми к воздействиям.
Они в состоянии работать со значительным рассогласованием импеданса без повреждений и деградации и имеют преимущество при функционировании на рабочих напряжениях до 50 В.
Удельная выходная мощность на 1 мм ширины затвора для транзисторов технологии LDMOS составляет 1–2 Вт/мм. Пределом рабочих частот для LDMOS обычно считается 3–4 ГГц, поскольку на более высоких частотах их выходной импеданс становится все труднее согласовать.
Арсенид галлия — GaAs
GaAs — это универсальный полупроводниковый материал, как и Si LDMOS, является уже полностью зрелым. GaAs-транзисторы способны работать в широком диапазоне частот от 30 МГц и до миллиметровых частот 250 ГГц и успешно применяются как в широкополосных, так и в узкополосных приложениях. Кроме того, GaAs-транзисторы генерируют очень мало собственного шума и могут работать с низкими уровнями входных сигналов. Удельная выходная мощность на 1 мм ширины затвора у GaAs-транзисторов обычно составляет около 1,5 Вт/мм. К недостаткам GaAs-транзисторов следует отнести возможность усиления мощности, поскольку из-за низкого напряжения пробоя, которое, как правило, находится в пределах 5–12 В, она ограничена примерно 5–10 Вт выходной мощности. Кроме того, транзисторы рассматриваемого типа не могут выдерживать высокие температуры, с которыми легко справляются транзисторы, выполненные на основе GaN и Si.
Справедливости ради следует отметить, что использование транзисторов на основе арсенида галлия дает возможность получать более высокие выходные мощности вплоть до 20–40 Вт. Это достигается благодаря тому, что данные транзисторы могут устанавливаться в двухтактных, параллельных конфигурациях или в конфигурации с объединением выходов. Однако такие конфигурации не получить без потерь по КПД и увеличения площади, необходимой для организации их периферийных схем.
Нитрид галлия — GaN
Использование нитрида галлия (GaN) стало прорывом в полупроводниковых технологиях для областей ВЧ и СВЧ. Главным преимуществом GaN перед конкурентами является его высокая удельная плотность мощности, которая может в 5 раз превосходить показатели сопоставимого полупроводникового прибора, выполненного на основе GaAs.
Проще говоря, это значит, что мы получаем в 5 раз большую мощность в корпусе размером на 80% меньше. GaN-транзистор, по сравнению с приборами на основе Si и GaAs, способен обеспечить от десятков до сотен ватт выходной мощности и работать в пределах вплоть до миллиметрового диапазона с высокой эффективностью и улучшенной пропускной способностью (линейностью).
Частично это достигается благодаря тому, что GaN-устройства имеют более плавную кривую перехода в насыщение, то есть усилители могут работать дальше в области насыщения, где эффективность выше. Кроме того, у GaNустройств, предназначенных для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, по сравнению с транзисторами на основе GaAs, более высокое напряжение пробоя, которое находится в диапазоне 28–50 В.
В результате низкая входная емкость и высокая резистивная составляющая в импедансе приводят к более высокому входному импедансу, что упрощает процесс согласования и обеспечивает широкополосную функциональность, которая ранее была недоступна.
Однако здесь имеется один нюанс — для того, чтобы улучшить относительно слабые тепловые характеристики GaN, транзисторы на его основе почти всегда формируются на подложках с более
низкими потерями и высокой теплопроводностью, таких как карбид кремния, в результате мы имеем GaN-на-SiC. Еще одним распространенным материалом подложек для устройств GaN является кремний, в этом случае формируют GaN-на-Si.
Благодаря использованию хорошо отлаженных техпроцессов производства кремния GaN-на-Si становятся более дешевой альтернативой, чем GaN-на-SiC, хотя происходит это за счет снижения производительности. Меньшая теплопроводность кремния, по сравнению с карбидом кремния ограничивает выходную мощность примерно до 10 Вт.
Кроме того, вариант GaN-на-Si не подходит для устройств, предназначенных для частот выше 6 ГГц, так как коэффициент усиления, эффективность (КПД) и выходная мощность устройств падают
с увеличением частоты. Весьма перспективным сегодня представляется растущий интерес к использованию синтетических алмазов в качестве подложек для GaN-устройств (GaN-наалмазе). Алмаз имеет самую высокую теплопроводность из всех материалов, известных человеку, и первые исследования показывают, что GaN-на-алмазе может дать удельную плотность мощности в 10 раз выше, чем доступные сейчас варианты GaN-на-SiC.
Однако производство синтетических алмазов остается еще слишком дорогим, чтобы технология GaN-на-алмазе распространилась довольно широко. Впрочем, по мере того, как эти процессы будут совершенствоваться и набирать обороты, невероятные преимущества теплового управления, свойственные алмазам, превзойдут затраты на их производство, открывая новые возможности проектирования в сфере ВЧ и СВЧ.
