Al igual que el arseniuro de galio (GaAs) y el semiconductor de óxido de metal difundido lateralmente (LDMOS), el nitruro de galio (GaN) es una tecnología revolucionaria que juega un papel importante en la habilitación de los sistemas de RF, microondas y ondas milimétricas del futuro. Sin embargo, no es una panacea y otras tecnologías aún tienen un papel importante que desempeñar.
Cuando los transistores de potencia de RF de nitruro de galio (GaN) se pusieron en servicio para contrarrestar los bloqueadores de IED en Irak y Afganistán a mediados de la década de 2000, la tecnología estaba en su infancia. Hoy en día, los dispositivos discretos de GaN y los MMIC de circuitos integrados monolíticos de microondas son competidores formidables del arseniuro de galio (GaAs) en mercados que van desde la defensa hasta las comunicaciones por satélite y 5G. Y por una buena razón, porque gracias a su densidad de potencia extremadamente alta, GaN puede producir más potencia de RF en una determinada cantidad de área de troquel que cualquier otra tecnología de semiconductores utilizada para la generación de potencia de RF.
También puede funcionar con un voltaje cinco veces mayor y el doble de corriente que los dispositivos de GaAs con mayor eficiencia de potencia añadida por encima de 10 GHz y funcionar a temperaturas más altas. Entonces, ¿significa esto que GaN reemplazará a GaAs en todas las aplicaciones? La respuesta es no, razón por la cual Microchip fabrica productos MMIC discretos y de GaN y GaAs y tiene una de las gamas más amplias de productos semiconductores de RF en la industria, desde amplificadores de bajo ruido hasta módulos frontales, diodos de RF, interruptores, atenuadores de voltaje variable. , osciladores SAW y MEMS y módulos integrados que combinan microcontroladores con transceptores de RF (Wi-Fi® MCU).
Para comprender dónde se adaptan mejor todas estas tecnologías, es importante ilustrar las fortalezas de cada una. Por ejemplo, GaAs sigue siendo el material semiconductor más versátil, ya que se utiliza en aplicaciones que van desde amplificadores de potencia hasta mezcladores, conmutadores, atenuadores, moduladores y limitadores de corriente, así como células solares, diodos láser y LED. Sin GaAs, algunas aplicaciones no habrían sido posibles. Fue responsable de la modernización de los radares de matriz en fase activos a partir de fines de la década de 1980 y posiblemente haya hecho posibles los teléfonos inteligentes y otros dispositivos conectados.
Los dispositivos de GaAs también se utilizan en amplificadores de distribución de sistemas de cable, enlaces punto a punto de microondas y muchas otras aplicaciones de RF de hasta 90 GHz. Sin embargo, aunque se pueden construir módulos amplificadores de potencia relativamente alta utilizando GaAs, GaN requiere muchos menos para lograr potencias de salida de RF mucho más altas que seguirán aumentando en los próximos años. Para ser justos, es importante tener en cuenta que la tecnología LDMOS también ha avanzado con el tiempo y tiene la ventaja de ser extremadamente resistente, con algunos transistores LDMOS discretos capaces de operar con una impedancia desadaptada mayor a 65:1 sin degradación o daño, mientras que GaN y GaAs actualmente están limitados a alrededor de 20:1.
También pueden producir una potencia de salida de RF de hasta casi 2 kW. Sin embargo, su frecuencia está limitada a unos 4 GHz, por lo que, si bien siguen siendo una generación de energía de RF clave en los próximos años en radares de banda L y S, transmisores de transmisión y sistemas de imágenes médicas, calefacción y secado industrial, en última instancia serán superado por GaN que puede operar lejos en la región de ondas milimétricas.
Como se señaló anteriormente, una de las mayores fortalezas de GaN es su densidad de potencia muy alta, lo que le permite generar niveles de potencia de RF muy altos con una periferia de puerta mucho más pequeña que el silicio o GaAs. Esto se traduce en la capacidad de producir una cantidad realmente sorprendente de potencia de RF a partir de un dispositivo muy pequeño, lo que hace que GaN sea ideal para la próxima generación de radares activos de matriz dirigida electrónicamente (AESA) y muchas otras aplicaciones. Y el potencial de GaN recién se está realizando, por lo que en el futuro debería ser posible lograr una densidad de potencia de al menos 20 W/mm.
Por supuesto, esto depende de la rapidez y eficacia con la que se pueda disipar el calor desde el troquel hacia el exterior a través del sustrato y más allá hacia los difusores de calor, los disipadores de calor y posiblemente un subsistema de refrigeración externo. Si bien los sustratos de carburo de silicio (SiC) son actualmente la norma, es probable que los compuestos de matriz metálica de diamante o aluminio-diamante se vuelvan más comunes, ya que el diamante tiene la conductividad térmica más alta de cualquier material en la tierra. Al igual que GaAs y LDMOS antes, GAN es una tecnología revolucionaria que juega un papel importante en la habilitación de los sistemas de RF, microondas y ondas milimétricas del futuro.
Pero no es una panacea, y GaAs seguirá siendo una tecnología clave durante muchos, muchos años. Este hecho no ha pasado desapercibido para Microchip, demostrado por su compromiso de optimizar el rendimiento de GaAs al mismo tiempo que expande su cartera de GaN en el futuro.
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