Fujitsu triplica a potência de saída dos transistores de nitreto de gálio

Para aumentar a área de observação do radar, é necessário aumentar a potência de saída dos transistores utilizados em seus amplificadores. Mas, neste caso, a aplicação de alta tensão pode danificar os cristais que formam o transistor. Os cientistas da Fujitsu desenvolveram uma estrutura cristalina que aumenta a corrente e a tensão dos transistores de nitreto de gálio (GaN) do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT), aumentando em três vezes a potência de saída dos transistores usados ​​em transmissores de microondas. Falaremos mais sobre o desenvolvimento de novas tecnologias no artigo.



A tecnologia GaN HEMT pode ser usada como um amplificador de potência para equipamentos como radares meteorológicos - segundo os cientistas, isso aumentará a área de observação do radar em 2,3 vezes para a detecção precoce de nuvens de trovoada que criam fortes chuvas. A Fujitsu alcançou a maior densidade de transistores do mundo, com uma potência de 19,9 W por milímetro de largura de porta do transistor GaN HEMT usando uma camada protetora baseada em nitreto de índio, alumínio e gálio (InAlGaN).

Aplicações GaN HEMT

Nos últimos anos, os transistores GaN HEMT têm sido amplamente utilizados como amplificadores de potência de alta frequência em radares e sistemas de comunicação sem fio. Supõe-se que eles também encontrarão aplicação em radares meteorológicos para a detecção precisa de precipitação local, bem como em sistemas de comunicação sem fio de ondas milimétricas para redes móveis de quinta geração (5G). A gama de microondas em comparação com ondas milimétricas, que são usadas em radares e sistemas de comunicação sem fio, pode ser aumentada aumentando a potência de saída de amplificadores de alta frequência com base nos transistores GaN HEMT.

A Fujitsu vem pesquisando transistores GaN HEMT desde o início dos anos 2000 e atualmente oferece transistores AlGaN HEMT. Eles se tornarão a nova geração tecnológica de transistores GaN HEMT que fornecem operação de alta tensão através do uso de elétrons de alta densidade.

O que a nova tecnologia oferece?

Nos transistores tradicionais InAlGaN HEMT, a tensão entre o gate e os eletrodos de drenagem estava na camada de suprimento de elétrons, e um grande número de elétrons com alta energia cinética é criado lá. Como resultado, esses elétrons danificaram a estrutura cristalina da camada. Como resultado, os transistores tinham um limite na tensão operacional máxima.


Mecanismo de dano de cristal e nova estrutura de cristal

Ao usar a nova camada de separação AlGaN, a tensão no transistor pode ser distribuída sobre a camada de suprimento de elétrons e a camada de separação. Ao reduzir a concentração de tensão, o aumento da energia cinética dos elétrons na estrutura cristalina é suprimido e não ocorre dano à camada de suprimento de elétrons, o que permite aumentar a tensão operacional para 100 V.


Nova estrutura de transistor GaN HEMT e comparação da produção de energia de novas e tradicionais tecnologias

Planos futuros

O calor gerado no transistor pode ser efetivamente removido através do substrato de diamante, cuja tecnologia de conexão foi desenvolvida pela Fujitsu em 2017. Quando os transistores GaN HEMT estruturados em cristal foram testados em testes do mundo real, eles mostraram uma potência de saída de 19,9 watts por largura de porta milimétrica, que é 3 vezes a potência de saída dos transistores AlGaN / GaN HEMT tradicionais.

Informações detalhadas sobre o novo empreendimento foram apresentadas como parte do evento Simpósio Internacional sobre Crescimento de Nitretos III (ISGN-7), uma conferência internacional realizada de 5 a 10 de agosto em Varsóvia, Polônia. A Fujitsu está avaliando a resistência ao calor e o desempenho energético de amplificadores de potência baseados em transistores GaN HEMT usando essa tecnologia para comercializar amplificadores para aplicações como radares e sistemas sem fio baseados em redes 5G até o ano fiscal de 2020.

Notas:

1. O nitreto de gálio (GaN) é um material semicondutor com uma tensão de ruptura mais alta que os materiais semicondutores tradicionais, incluindo silício (Si) e arseneto de gálio (GaAs).
2. Transistores com alta mobilidade eletrônica (Transistor de alta mobilidade eletrônica, HEMT) - transistor de canal, que opera em uma camada de elétrons na fronteira entre dois materiais semicondutores diferentes. Possui uma velocidade operacional mais alta em comparação com os semicondutores tradicionais.