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纯净的硅(高级)

GaN 技术详解来了 [复制链接]

为什么 GaN 能够在当今这个技术驱动的环境下发挥越来越重要的作用。下面一起来看一下吧。

 

GaN :可靠的技术

 

GaN 是一项久经考验的化合物半导体技术。自 20 世纪 80 年代以来,化合物半导体一直都是高性能应用中的主导微波集成电路 (IC) 技术。这是因为与简单的硅基半导体器件相比,它们可实现卓越的速度和功率组合。

 

化合物半导体由元素周期表中的两个或两个以上不同元素族组成,而简单的半导体器件则由硅 (Si) 等单元素组成。如图 2-1 所示,GaN 是其中一种化合物半导体,它将元素周期表的第三列和第五列元素组合在一起,因此被称为 III-V 化合物半导体。

 

图 2-1 :简单半导体与 III-V 化合物半导体

 

这些 III-V 半导体可用于各种应用。在过去的四十年,砷化镓 (GaAs) 应用最为广泛,全球运行着数十亿个 GaAs IC。与 GaAs 相比,GaN 可实现更出色的速度和功率处理组合。在晶体管速度给定的情况下,GaN 具有出色的功率性能,因此能够在频率范围广泛的数千个应用中取代其他技术。

 

GaN 单芯片微波集成电路 (MMIC) 和分立式晶体管于 2000 年代后期首次投入生产,主要针对最高功率水平的固态应用。在毫米波 (mmWave) 应用中,GaN 已在更高的功率水平方面取代了 GaAs,与竞争技术中 MMIC 提供的功率水平相比,GaN 可在 Ka 频段实现数十瓦的功率。在较低的频率下(如 L 频段),GaN 晶体管可实现超过 1,000 瓦的功率!

 

正如我们在第 1 章中提到的,GaN 可以使用多种基板材料,如硅、碳化硅 (SiC)、GaN 和金刚石。GaN 可与高热导率基板(如 SiC)兼容,从而增强了其在高功率应用中的优越性。

 

体管 GaN 固有的材料属性如何创造卓越的射频晶

 

从概念上讲,使用 GaN 构建的场效应晶体管 (FET) 与使用其他半导体材料(如 GaAs、磷化铟 (InP) 或 Si)构建的使用栅极触点或节点的晶体管类似。如果为 GaN 射频 (RF) 器件,其实现通常是耗尽型高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

 

耗尽型 HEMT 对栅电极施加负偏压。这样就切断了漏极和源极之间的电流。当施加的栅电压为零时,耗尽型 FET 设计为处于开启状态 ;可通过将栅极拉大阈值电压以下将其关闭。

 

GaN 器件由纵向材料结构和横向结构组成,前者定义了许多固有属性,后者实现了与材料结构的接触并电荷流的控制(参见图 2-2)。与其他 FET 一样,横向结构包括源极、漏极和栅极触点。通常,附近还有其他结构提供磁场控制,如图 2-2 中所示的源场板。

 

GaN 工艺选项解密

 

通过在晶体管速度、电流能力、击穿电压、效率和可靠性之间进行权衡, 可针对目标应用对 FET 进行优化。为满足不同 GaN 应用的需求,制造商 提供了频率和功率水平范围广泛的多种工艺技术。有了多个 GaN 工艺可供 选择,电路设计人员可以将特定的 GaN 工艺技术与应用进行最优匹配,从 而简化并加快设计。图 2-3 展示了 Qorvo 的系列 GaN 工艺技术,这些技 术旨在适应多个市场领域的各种应用。

 

图 2-3 :AB 类性能的 Qorvo GaN 工艺技术选项。

 

例如,功率非常高的应用(如工作频率为 2 GHz 的 1 kW 晶体管)将受益于具有较高击穿电压的 GaN 工艺,因为它提高了工作电压和射频功率密度。工作电压的提高也会提高输出效率。这是提高接入电阻和降低晶体管速度之间的权衡。Qorov GaN50 工艺能够在 65 V 的电压条件下运行,同时也具有这些优势。

 

毫米波功率放大器 (PA) 应用(如工作频率为 30 GHz 的 20 W MMIC)要求使用能够在高频率条件下提供较高增益的高速器件。器件设计的权衡将有利于缩短栅极长度,最小化接入电阻,以及最大限度地提高电流容量。从而可以降低击穿电压和功率密度。Qorov GaN15 工艺能够在最高 28 V 的电压条件下运行,同时也具有这些优势。

 

在这两个示例中,GaN 器件提供了比其他技术更高的工作电压,从而展示了该技术固有的速度和电压优势。较高工作电压的优势不仅仅局限于 PA 电路,它还可以为整个系统带来好处。

 

例如 :相位阵天线系统(GaN PA 的常见应用)可能需要数百或数千个单独的功率放大器。

 

这些天线阵列系统中的直流配电一直都是一大难题,因为电源会占据空间,增加重量,并引起直流电源损耗。但 GaN 具有较高的工作电压,可实现更低的直流电流和出色的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 性能,以应对这些系统所面临的直流配电挑战。

 

好了,这里就给大家分享最基本的内容吧,应该够大家使用了,但是想看更多详细资料的朋友点击深入了解 GaN 技术

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