Un transistor di potenza al nitruro di gallio da 100 V con una potenza di uscita di 600 W a una frequenza di 1,0 GHz. Credito:Fraunhofer IAF
I ricercatori del Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF sono riusciti ad aumentare significativamente la potenza di uscita dei loro transistor ad alta frequenza basati su GaN per la gamma di frequenza da 1 a 2 GHz:sono stati in grado di raddoppiare la tensione operativa dei dispositivi da da 50 volt a 100 volt, ottenendo così un'efficienza di potenza aggiunta del 77,3 percento. Questa tecnologia consente lo sviluppo di amplificatori altamente efficienti con potenza ancora maggiore, come richiesto per applicazioni nei campi della generazione di plasma, riscaldamento industriale, comunicazioni e tecnologie radar.
La densità di potenza dei transistor è uno dei criteri più importanti per il loro utilizzo in applicazioni ad alta potenza nella gamma dei GHz. Determina la dimensione dei moduli amplificatori e quindi in gran parte la complessità del sistema, entrambi fattori determinanti per i costi di produzione e l'uso richiesto delle risorse.
Esistono diversi modi per aumentare la densità di potenza dei transistor. I ricercatori del Fraunhofer IAF hanno scelto la strada per aumentare la tensione operativa:ridimensionando il design del transistor verticalmente e lateralmente, sono riusciti, per la prima volta in Europa, nella realizzazione di transistor ad alta frequenza adatti ad applicazioni con una tensione di esercizio di 100 Volt. Questi dispositivi basati sul nitruro di gallio (GaN) a semiconduttore sono caratterizzati da una densità di potenza notevolmente aumentata a frequenze nella gamma dei GHz.
Le misurazioni di laboratorio mostrano un'efficienza record
Le prestazioni di questi dispositivi di nuova concezione per la gamma di frequenza 1–2 GHz sono già state dimostrate in laboratorio:le misurazioni hanno mostrato una densità di potenza di oltre 17 W/mm e un'efficienza aggiunta di potenza (PAE) del 77,3 percento a una frequenza di 1.0GHz. Questa è la più alta efficienza di potenza aggiunta raggiunta per il funzionamento a 100 V in questa gamma di frequenza mai riportata. I test hanno persino dimostrato che questa tecnologia fornisce una densità di potenza superiore a 20 W/mm a 125 V. I ricercatori hanno presentato i loro risultati all'International Electron Devices Meeting (IEDM) a San Francisco per la prima volta nel dicembre 2019.
Il doppio della tensione per una potenza molto più alta
"L'aumento della tensione operativa da 50 a 100 volt consente densità di potenza più elevate. Ciò significa che un sistema può fornire più potenza sulla stessa area rispetto a quanto è possibile con le tecnologie a 50 V o 65 V disponibili in commercio, " spiega Sebastian Krause del Fraunhofer IAF, uno dei principali sviluppatori della tecnologia.
Da una parte, questo consente sistemi della stessa dimensione con una potenza di uscita maggiore. D'altra parte, è possibile realizzare impianti più compatti e leggeri erogando la stessa potenza, poiché è necessaria meno area del chip per raggiungere il livello di potenza desiderato:"Raddoppiando la tensione operativa a 100V, il transistor presenta un'impedenza di uscita quattro volte superiore per una data potenza, " afferma Krause. Ciò consente l'implementazione di reti di corrispondenza più piccole e quindi meno perdite, che a loro volta, si traduce in una maggiore efficienza energetica dell'intero sistema.
La tecnologia a 100 V è di grande interesse per applicazioni ad alte prestazioni come generatori di plasma, acceleratori di particelle e riscaldamento industriale a microonde. Credito:Will Folsom, Licenza:Attribuzione 2.0 Generico (CC BY 2.0)
Utilizzo in sistemi industriali ad alta potenza
"L'obiettivo a lungo termine del nostro sviluppo è il funzionamento a 10 GHz, " spiega Krause. Ciò renderebbe il Fraunhofer Institute di Friburgo la prima fonte di tali dispositivi basati su GaN da 100 V. Ciò è di particolare interesse per applicazioni ad alte prestazioni come acceleratori di particelle, riscaldatori a microonde industriali, amplificatori per telefoni cellulari, radar e amplificatori a impulsi e onde continue per generatori di plasma. Questi sistemi richiedono livelli di potenza di uscita elevati pur mantenendo un ingombro preferibilmente ridotto, esattamente ciò che la tecnologia a 100 V può offrire.
Gli acceleratori di particelle svolgono un ruolo importante nella ricerca, tecnologia medica e industria. Vengono utilizzati generatori di plasma nella gamma delle alte frequenze, Per esempio, per i processi di rivestimento nella produzione di chip a base di semiconduttori, supporti di memorizzazione dati o celle solari.
I semiconduttori di potenza sostituiscono i componenti del vuoto
Un altro grande campo di applicazione industriale sono i generatori di corrente per il riscaldamento a microonde. "In questo campo, l'industria di solito lavora a frequenze più alte, ma componenti per il vuoto, per esempio. magnetron o klystron, sono prevalentemente utilizzati fino ad oggi. Qui, stiamo lavorando per fornire un'alternativa basata sui semiconduttori. I semiconduttori sono molto più compatti e più leggeri, che consente disposizioni quali phased array, "dice Krause.
Per molto tempo, i componenti basati su tubi (ad esempio i tubi ad onda mobile) hanno dominato i sistemi elettronici con un'elevata potenza di uscita. Però, lo sviluppo si sta spostando verso i semiconduttori di potenza. Gli scienziati del FraunhoferIAF ritengono che la tecnologia a 100 V basata su GaN possa fornire un'alternativa efficiente per aumentare la potenza dei generatori di microonde.
