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.
Учитывая экстраординарные преимущества технологий GaN, легко предположить, что GaN должен заменить LDMOS и GaAs во всех устройствах. Конечно, в действительности все не так просто, и многие считают, что LDMOS и GaAs будут использоваться еще много лет.
В таблице 1 представлен обзор трех этих технологий. Говоря в целом, GaN является очевидным решением для приложений выше 3 ГГц, требующих выходной мощности более 25 Вт. Вне этих условий выбор между LDMOS, GaAs, и GaN становится более сложным, требующим тщательного анализа компромиссов по производительности и стоимости.
Приложения с высокой мощностью, где необходима работа ниже 3 ГГц, — например, беспроводные базовые станции, зачастую больше выигрывают от использования более дешевых и проверенных LDMOS технологий.
Что касается применения GaAs, здесь также рассматривается диапазон выше 30 ГГц. Нужно учитывать и то, что сегодня уже производится десятое поколение кремния и его выращивают на пластинах 12–18 дюймов. Для сравнения, GaN пока еще находится во втором поколении, и его можно выращивать на пластинах 4 дюйма, тогда как затраты остаются сопоставимыми. Следовательно, в приложениях малой мощности, скорее всего, будут по-прежнему использоваться более дешевые GaAs - устройства, до тех пор пока стоимость GaN не снизится за счет их более широкого распространения в высокочастотной отрасли.
Примечание к таблице:
Как можно видеть из приведенного анализа, транзисторы на основе GaN, выполненные по современной высокочастотной технологии, благодаря значительным улучшениям надежности и высокой удельной плотности мощности считаются наиболее оптимальным выбором для самого широкого спектра приложений. Компания NuWaves Engineering, одной из первых взявшая на вооружение технологию GaN, старается работать в этом направлении и крайне заинтересована в передовых новейших технологиях в сфере ВЧ-усилителей мощности (РА — от англ. power amplifier).
На рис. 2 представлено одно из решений компании, иллюстрирующее ее достижения в области использования технологи GaN — двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 [2]. Семейство твердотельных двунаправленных радиочастотных усилительных модулей NuPower Xtender, или модулей T/R, предназначено для удовлетворения растущих потребностей аэрокосмического и оборонного, промышленного и коммерческого рынков. Основанный на новейшей технологии нитрида галлия (GaN) энергоэффективный и миниатюрный форм-фактор NuPower Xtender стал идеальным вариантом для широкополосных радиочастотных систем телеметрии и тактической связи. NuPower Xtender имеет компактные габариты, небольшой вес и ограничение по мощности. Усилители NuPower Xtender отличают:
Усилитель, предлагаемый компанией NuWaves Engineering, имеет исключительно высокую удельную плотность мощности и широкий диапазон рабочих частот, что характерно для устройств, выполненных на GaN-транзисторах. Модуль двунаправленного трехдиапазонного усилителя NuPower Xtender™ SCISR-20 — это небольшой, легкий и энергоэффективный двунаправленный усилитель (BDA), оптимальный для расширения диапазона связи полудуплексных трансиверов с использованием непрерывной волны (continuous wave, CW) и почти постоянной огибающей формы волны.
В режиме передачи двунаправленный усилитель обеспечивает до 20 Вт в режиме насыщения в диапазонах частот L-, S- и 12 Вт в C-диапазоне и имеет встроенный малошумящий усилитель (МШУ), используемый в режиме приема при работе на общую антенну. Схема усилителя NuPower Xtender SCISR-20 приведена на рис. 3, а его основные технические характеристики представлены в таблице 2. Полные технические характеристики усилителя доступны в [2].
NuPower Xtender SCISR-20 предлагается как отдельный модуль или как часть комплекта, который также содержит радиатор с принудительным охлаждением, адаптер переменного/постоянного тока и интерфейсный кабель с разъемами типа «банан»-джек. Радиатор с вентиляторным охлаждением обеспечивает достаточное охлаждение для работы NuPower Xtender SCISR-20 при комнатной температуре (+25 °C), однако при более высоких температурах окружающей среды для поддержания температуры основания на уровне не выше +60 °C при 100%-ном рабочем цикле передачи может потребоваться дополнительный теплоотвод.
Появление технологий на базе GaN стало серьезным достижением для сообщества ВЧ-/СВЧ-коммуникаций и их бенефициаров. Наибольшая плотность энерговыделения и гибкость рабочих частот, а также прочие преимущества позволили совершить прорыв, результаты которого выходят далеко за пределы возможностей простого модуля усилителя или входного каскада.
В частности, в отрасли авиации распространение GaN способствовало развитию беспилотников меньшего размера с большей дальностью полета. Сфера исследования космоса также получила ряд выгод, поскольку здесь минимизация размера и веса имеет ключевое значение для успеха. И хотя влияние GaN невозможно не учитывать, остается очевидным, что во всех новых технологиях всегда есть место определенным компромиссам между преимуществами и недостатками, которые должны быть тщательно изучены и проанализированы внимательным инженером. В ближайшее время LDMOS и GaAs никуда не исчезнут, однако уже сегодня производители GaN рассчитывают на светлое будущее, и, несомненно, основой завтрашнего дня для ВЧ- и СВЧ-техники станет именно GaN.
По мере того как технология развивается, процессы совершенствуются, а более широкое распространение снижает издержки, можно ожидать, что GaN станет таким же повсеместным, как и электромагнитные волны, которые он усиливает.
<link fileadmin pdf_articles _blank download>Скачать полный текст статьи «Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.» в формате pdf
