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氮化鎵在毫米波應用中占有一席之地

星星科技指導員 ? 來源:microchip ? 作者:microchip ? 2023-04-21 10:22 ? 次閱讀

了解 5G NR 新無線電

早在 1980 年代,俗話說毫米波長的使用“指日可待,而且永遠都是”。可以說,就在幾年前,你仍然可以提出這個論點。除了Ka波段衛(wèi)星通信車輛高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)以及一些國防和科學應用外,“那里”并沒有發(fā)生太多事情。但是,當毫米波頻率被納入5G新無線電(NR)的標準時,情況發(fā)生了迅速變化,這在非常短的時間內開始了連續(xù)不斷的顯著成就。

片上射頻系統(tǒng)

例如,多家半導體制造商開發(fā)了片上系統(tǒng) (SoC),其中包括整個射頻 (RF信號鏈和有源相控陣天線,該天線在微型封裝中集成了數(shù)十個元件。硅鍺(SiGe),雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS),絕緣體上硅(SoI)甚至磷化銦(InP)都在這些設備上投入使用,那么GaN在哪里適合這個圖景?

這個問題的答案是,GaN可以為毫米波系統(tǒng)提供與較低頻率和相同原因的好處。GaN 在 2000 年代中期風靡全球,因為它的功率密度、效率和承受高擊穿電壓的能力優(yōu)于硅或氮化鎵 (GaAs)。

功率應用中的氮化鎵

首先以分立形式出現(xiàn),然后作為單片微波集成電路(MMIC),碳化硅氮化鎵(SiC)已成為許多商業(yè)和國防應用的“首選”技術。所有這些優(yōu)勢對于毫米波長的GaN仍然有效,盡管實現(xiàn)高功率水平并不像在較低頻率下那么重要,因為相控陣可以達到增益,并且可以通過非常小的相控陣在窄波束中引導,它們可以由許多天線元件組成。

GaN的主要優(yōu)點之一是其功率密度(每單位芯片尺寸可以產(chǎn)生的功率量),明顯高于同類產(chǎn)品。硅器件的功率密度為0.2 W/mm,GaAs達到約1 W/mm,而GaN的(理論)功率密度超過30 W/mm,SiC(用作GaN器件的襯底材料)為10 W/mm。盡管碳化硅基氮化鎵器件在達到30 W/mm之前還有很長的路要走,但目前最先進的碳化硅基氮化鎵器件至少達到了11 W/mm。這可能是一個低估,因為出于顯而易見的原因,制造商將這個指標放在胸前。也就是說,雖然實現(xiàn)巨大的功率密度非常令人印象深刻,但它也會產(chǎn)生同樣巨大的熱量,這些熱量必須從芯片開始迅速分散,并延伸到基板和向外延伸。

為什么GaN的寬帶隙如此重要?

為了使GaN器件能夠在其結溫區(qū)內“舒適”地工作并確保長期可靠性,放大器設計人員必須在可實現(xiàn)的目標與商業(yè)上可行的目標之間進行權衡。對于當今的大多數(shù)系統(tǒng),最先進的熱管理技術將其限制在約5至7 W/mm2,盡管使用先進(和更昂貴)的基板材料(如金剛石基板和鋁-金剛石基體復合散熱器)可以在一定程度上增加這一比例。

雖然其他競爭者可以在Ka波段實現(xiàn)幾瓦的RF輸出功率,但GaN的高功率密度可以在更高的頻率下以較小的尺寸提供10倍的功率。例如,GaN MMIC已經(jīng)證明它們能夠在47至90 GHz范圍內產(chǎn)生超過140 mW的功率。

因此,GaN MMIC被用于取代行波管放大器(TWTA)也就不足為奇了,直到最近,行波管放大器是唯一在毫米波長下產(chǎn)生可觀的RF功率的設備。與GaAs贗態(tài)高電子遷移率晶體管(pHEMT)相比,它們的功率密度使GaN MMIC能夠減少80%以上的材料需求,因此由于在MMIC和模塊級別降低了片上組合損耗,因此它們可以提供更高的效率。

例如,雷神公司前段時間表示,與砷化鎵MMIC相比,有源電子掃描陣列(AESA)搜索雷達可以在相同的時間內實現(xiàn)五倍的搜索量,使用更小50%的天線陣列尺寸,以相同的靈敏度實現(xiàn)50%的范圍。

GaN的大部分實力來自于它是一種寬帶隙(WBG)材料。WBG器件可以消除目前在AC-DC和DC-AC電力轉換過程中發(fā)生的高達90%的功率損耗,工作電壓比硅基器件高10倍,工作溫度高于300°C。

為了更好地理解這些特征,我們需要深入研究物理學。基本上,固體中的電子存在于結合形成能帶的能級上。頂部的帶稱為導帶,下一個較低的帶稱為價帶。價帶和導帶之間的區(qū)域是帶隙。

氮化鎵中的極化電荷

在WBG材料中,當價帶中的電子被外部激發(fā)足夠多時,它們可以向上移動到導帶。導體(例如銅)沒有帶隙,因為兩個能帶重疊。絕緣材料的間隙非常寬,以至于需要太多的能量來橋接它。但是半導體更接近導體(因此稱為“半導體”),并允許一定量的能量在價帶和導帶之間交叉。

該能量的量決定了半導體在帶隙層次結構中的位置。參考材料通常是硅,因為它的帶隙為1.1電子伏特(eV)或砷化鎵(1.4eV)。相比之下,GaN的帶隙為3.4 eV,當與具有3 eV帶隙能量的SiC襯底結合使用時,GaN可以實現(xiàn)更高的擊穿和工作電壓。

了解氮化鎵技術

盡管今天GaN的好處是在較低頻率上實現(xiàn)的,但它們在毫米波頻率上的使用正在快速增長,特別是對于在較高頻率下出現(xiàn)威脅的防御系統(tǒng),需要比低地球軌道對應物更高的有效輻射功率的地球同步衛(wèi)星以及5 GHz及以上的60G網(wǎng)絡,其中中繼器的使用正在減少覆蓋給定區(qū)域所需的小型蜂窩數(shù)量。隨著無線行業(yè)進入第六代,GaN將發(fā)揮更大的作用,因為工作頻率增加到遠遠超過100 GHz,在GaN的最大截止頻率范圍內。

審核編輯:郭婷

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