使用 WBG 材料的射頻功率半導體解決了 5G 應用中的許多技術挑戰(zhàn)，縮小了與舊的基于硅的技術之間的差距。

5G 技術的進步正在推動半導體行業(yè)面臨新的技術挑戰(zhàn)。5G 服務以更高的頻率工作，以確保更高的傳輸速率和極低的延遲。新頻率的使用會產(chǎn)生電源效率問題，導致需要新的解決方案。

5G 不僅僅是更快的 4G 移動網(wǎng)絡。5G 被認為是一種“新”網(wǎng)絡，是管理物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施。而且速度很快。運行 5G 的網(wǎng)絡將比現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡快 20 倍，使視頻下載速度提高 10 倍。高性能功率半導體和化合物半導體，如氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 和砷化鎵 (GaAs)，在 5G 終端產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)揮著關鍵作用。

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5G與功耗

憑借前所未有的復雜性，下一代 5G 技術將使其完全智能化，從而在未來幾年內(nèi)徹底改變行業(yè)。這種變化帶來的挑戰(zhàn)是巨大的：超高帶寬、高達 1 毫秒的延遲和高度可靠的連接。此外，RF 架構需要可擴展、高效且極其緊湊。5G 不僅需要通過安裝更多基站在宏觀層面實現(xiàn)高密度化，而且還需要在設備層面實現(xiàn)高功率密度。

為了滿足更低功耗、更小尺寸和更好熱管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技術的射頻功率放大器在 4G 出現(xiàn)期間開始引領潮流。GaN 有望因其改進的功率性能而成為市場主流。

此外，與硅 (Si) 相比，SiC 器件的成本更低，性能更好，而 GaN-on-SiC 可以提供最佳的整體價值。特別是，GaN-on-SiC 的熱導率是 GaN-on-Si 的 3 倍。

同時，GaN和GaAs功率半導體比傳統(tǒng)的Si基半導體具有更多優(yōu)勢，例如更高的開關速度、更低的電流損耗和更高的功率密度。材料供應商正在實施新的制造解決方案，以提供更低的成本和更容易的采用。特別是GaN和GaAs化合物半導體的制造工藝有望取得進一步進展。

根據(jù) ABI Research 的數(shù)據(jù)，在 5G 應用的推動下，射頻功率半導體的支出繼續(xù)增長，2019 年達到近20 億美元。市場分析表明，無線基礎設施細分市場經(jīng)歷了重大轉(zhuǎn)變，所有其他細分市場都在經(jīng)歷強勁增長。LDMOS 正在發(fā)揮重要作用，但 GaN 繼續(xù)爭奪市場份額，通過縮小與其他更老的基于硅的技術的差距來解決市場所需的許多技術挑戰(zhàn)。

根據(jù) ABI Research 的數(shù)據(jù)，無線基礎設施市場約占總銷售額的 75%，并且在 5G NR 中頻的推動下表現(xiàn)異常出色。在無線基礎設施之外，射頻功率半導體應用增長最為強勁的垂直市場是商用航空電子設備和空中交通管制。

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GaN 和 SiC 功率器件為軍用/航空系統(tǒng)帶來巨大好處

與 LDMOS 相比，GaN-on-SiC 在 5G 技術方面提供了顯著改進，例如卓越的熱特性，并且對于更高頻率的 5G 應用更高效。

以下是適用于 5G 應用的射頻功率 IC 示例。

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模擬設備公司

Analog Devices Inc. (ADI) 提供的功率放大器基于跨越千赫茲至 95 GHz 的 GaN 和 GaAs 半導體技術。除了裸片和表面貼裝組件外，該公司的產(chǎn)品組合還包括輸出功率超過 8 kW 的基于 GaN 的功率放大器模塊。

ADPA7002CHIP 是 GaAs、單片微波集成電路 (MMIC)、偽晶高電子遷移率晶體管 (pHEMT)、分布式功率放大器，工作頻率范圍為 20 GHz 至 44 GHz。該放大器提供 15 dB 的小信號增益、1 dB 增益壓縮 (P1dB) 下的 28 dBm 輸出功率和 40 dBm 的典型輸出三階截距 (IP3)。

ADPA7002CHIP 的功能圖（圖片：Analog Devices Inc.）

英飛凌科技股份公司

英飛凌科技為 6 GHz 以上的集成架構提供 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 射頻功率技術，為 6 GHz 以下的高穩(wěn)健性系統(tǒng)提供 LDMOS。封裝創(chuàng)新使集成 Doherty 的寬帶放大器成為可能。

適用于移動和低功耗基礎設施的靈活射頻解決方案，包括 SiGe、BiCMOS、GaN 毫米波和 CMOS 射頻技術，可通過從成本優(yōu)化到高集成設計的替代選項滿足最佳性能要求。

隨著 CPU 當前要求的增加以支持下一代人工智能和 5G 電網(wǎng)工作負載，DC/DC 穩(wěn)壓器必須為負載提供 500 A 以上的電流。XDPE132G5C控制器采用真正的 16 相 PWM 數(shù)字算法，可滿足這些高相數(shù)要求。

通信系統(tǒng)中最先進的 ASIC 和 FPGA 需要步長小于 1 mV 的V OUT控制。這是 XDPE132G5C 所固有的，它以 0.625 mV 的增量提供精細的 V OUT控制。此外，該解決方案支持自動重啟要求，并提供選項以減少因電源問題而導致的遠程站點維護。

恩智浦半導體

NXP Semiconductors 提供多種射頻功率器件，包括 GaN、LDMOS、SiGe 和 GaAs 技術。一個例子是 MMRF5014H，這是一款 125W 連續(xù)波 (CW) 射頻功率晶體管，針對高達 2,700 MHz 的寬帶運行進行了優(yōu)化，它還包括輸入匹配以擴展帶寬性能。該器件具有高增益和高耐用性，非常適合 CW、脈沖和寬帶 RF 應用。該器件采用先進的 GaN-on-SiC 技術構建，適用于軍事和商業(yè)應用，包括窄帶和多倍頻程寬帶放大器、雷達、干擾機和 EMC 測試。

LDMOS 功率放大器專為 TDD 和 FDD LTE 系統(tǒng)而設計。AFSC5G23D37 是一款完全集成的 Doherty 功率放大器模塊，專為需要在最小占用空間內(nèi)提供高性能的無線基礎設施應用而設計。目標應用包括大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)、小型室外蜂窩和低功率遠程無線電頭端。

隨著蜂窩市場向更高頻率和更高功率水平發(fā)展，GaN 技術提供了最先進的線性化和 RF 性能，以簡化 5G 部署。這些解決方案還通過支持更小、更輕的有源天線系統(tǒng)和多芯片模塊 (MCM) 來實現(xiàn)高度集成，從而簡化大規(guī)模 MIMO 實施。

A2G35S160-01SR3 是一款 32W 射頻功率 GaN 晶體管，適用于覆蓋 3,400 至 3,600 MHz 頻率范圍的蜂窩基站應用。它提供高終端阻抗以實現(xiàn)最佳寬帶性能，它專為數(shù)字預失真糾錯系統(tǒng)而設計，并針對 Doherty 應用進行了優(yōu)化。

馬科姆

Macom 提供范圍廣泛的射頻功率半導體產(chǎn)品，如分立器件、模塊和托盤，設計用于在 DC 至 6 GHz 范圍內(nèi)運行。MAGB-101822-380A0P 是一對 GaN HEMT D 模式放大器，專為數(shù)字預失真糾錯系統(tǒng)和平均功率為 55W 的非對稱 Doherty 基站應用而設計。該器件采用塑料封裝，針對具有高終端阻抗的蜂窩基站應用進行了優(yōu)化，可實現(xiàn)寬帶性能。

Qorvo 公司

Qorvo Inc. 為整個 5G 基礎設施提供高度集成的組件和模塊。GaN 技術用于構建固態(tài)微波功率放大器 (SSPA)。它受益于導致高功率密度的高故障電壓。可以使用多種實現(xiàn)選項構建 GaN 功率放大器。

PRFI Ltd. 已實施 Qorvo 解決方案 TGF2977，以設計 5W X 波段 GaN 功率放大器。該放大器針對 9.3 至 9.5 GHz 頻段進行了優(yōu)化，提供 11 dB 的小信號增益，并在 3 dB 增益壓縮下提供超過 37 dBm 的輸出功率，相應的漏極效率超過 55%。

TGF2977 是一款 5W (P3dB) 寬帶無與倫比的分立式 GaN-on-SiC HEMT，可在直流至 12 GHz 和 32 V 電源軌范圍內(nèi)運行。該器件采用行業(yè)標準 3 × 3 毫米 QFN 封裝，非常適合軍用和民用雷達、陸地移動和軍用無線電通信、航空電子設備和測試儀器。該器件可以支持脈沖和線性操作。

TGA2219 是一款 25W GaN 功率放大器，作為高功率 MMIC 放大器提供，專為商業(yè)和軍用雷達（包括 Ku 波段）和衛(wèi)星通信系統(tǒng)而設計。TGA2219 放大器采用 TriQuint 生產(chǎn)的 0.15-μm GaN-on-SiC 工藝開發(fā)，工作頻率范圍為 13.4 GHz 至 16.5 GHz，提供 25 W 飽和輸出功率、27 dB 大信號增益和大于 28% 的功率附加效率 (PAE) ）。TGA2219 與 50 Ω 完全匹配，并在 RF 端口上集成了隔直電容器，以簡化系統(tǒng)集成。

Wolfspeed，一家 Cree 公司

GaN-on-SiC 已成為應對 5G 網(wǎng)絡引入所帶來的所有挑戰(zhàn)和要求的領跑者。Wolfspeed 的產(chǎn)品組合主要側重于 GaN-on-SiC HEMT。一個例子是 GTRA384802FC。該解決方案是一個 400-W (P3dB) HEMT，用于多標準蜂窩功率放大器應用。

HEMT 具有輸入和輸出匹配、高效率以及帶無耳法蘭的熱增強封裝。該器件提供 62% 的效率和 12dB 的增益，并且可以在 48V、63W (WCDMA) 輸出功率下處理 10:1 VSWR。其非對稱 Doherty 設計保證了主 P3dB 200 W 典型值和峰值 P3dB 280 W 典型值。

結論

技術正在顯著發(fā)展。對于 5G 而言，GaN 比硅更高效，并且多年來一直是 5G 功率放大器中硅的明顯繼承者。由于晶圓的發(fā)展和成本的降低，它肯定會迎頭趕上，尤其是在 5G 毫米波網(wǎng)絡方面。

GaN 器件正在取代市場上的 LDMOS 器件，尤其是在 5G 電信基站、雷達和航空電子設備以及其他寬帶應用中。在未來的網(wǎng)絡設計中，GaN 和其他寬帶隙 (WBG) 材料因其物理特性將取代現(xiàn)有的 LDMOS 器件。然而，LDMOS由于其成熟和低成本，仍將占據(jù)穩(wěn)固的市場份額。

審核編輯 黃昊宇