Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada de Estado Sólido IAF conseguiram aumentar significativamente a potência de saída de seus transistores de alta frequência baseados em GaN para a faixa de frequência de 1–2 GHz:eles conseguiram dobrar a tensão operacional dos dispositivos de 50 volts a 100 volts, alcançando assim uma eficiência de energia agregada de 77,3 por cento. Esta tecnologia permite o desenvolvimento de amplificadores altamente eficientes com potência ainda maior, conforme necessário para aplicações nas áreas de geração de plasma, aquecimento industrial, comunicações e tecnologias de radar.

A densidade de potência dos transistores é um dos critérios mais importantes para seu uso em aplicações de alta potência na faixa de GHz. Ele determina o tamanho dos módulos amplificadores e, portanto, em grande parte a complexidade do sistema - ambos os quais são decisivos para os custos de fabricação e o uso necessário de recursos.

Existem várias maneiras de aumentar a densidade de potência dos transistores. Os pesquisadores da Fraunhofer IAF escolheram o caminho para aumentar a tensão de operação:escalando o projeto do transistor vertical e lateralmente, eles tiveram sucesso, pela primeira vez na Europa, na realização de transistores de alta frequência adequados para aplicações em uma tensão operacional de 100 volts. Esses dispositivos baseados no nitreto de gálio semicondutor (GaN) são caracterizados por densidade de potência significativamente aumentada em frequências na faixa de GHz.

Medições de laboratório mostram eficiência recorde

O desempenho desses dispositivos recentemente desenvolvidos para a faixa de frequência de 1–2 GHz já foi demonstrado em laboratório:As medições mostraram uma densidade de potência de mais de 17 W / mm e uma redução de potência (PAE) de 77,3 por cento a uma frequência de 1,0 GHz. Esta é a maior eficiência de potência agregada alcançada para operação de 100 V nesta faixa de frequência já relatada. Os testes demonstraram até que essa tecnologia oferece uma densidade de potência superior a 20 W / mm a 125 V. Os pesquisadores apresentaram seus resultados no International Electron Devices Meeting (IEDM) em San Francisco pela primeira vez em dezembro de 2019.

Duas vezes a voltagem para uma potência muito maior

"Aumentar a tensão de operação de 50 para 100 volts permite densidades de energia mais altas. Isso significa que um sistema pode fornecer mais energia na mesma área do que é possível com as tecnologias disponíveis comercialmente de 50 V ou 65 V, "explica Sebastian Krause da Fraunhofer IAF, um dos principais desenvolvedores da tecnologia.

Por um lado, isso permite sistemas do mesmo tamanho com maior potência de saída. Por outro lado, é possível criar sistemas mais compactos e leves fornecendo a mesma potência, uma vez que menos área do chip é necessária para atingir o nível de potência desejado:"Dobrando a tensão de operação para 100 V, o transistor exibe uma impedância de saída quatro vezes maior para uma determinada potência, "diz Krause. Isso permite a implementação de redes menores e, portanto, com menos perdas, que por sua vez, resulta em maior eficiência energética de todo o sistema.

Uso em sistemas industriais de alta potência

"O objetivo de longo prazo do nosso desenvolvimento é operar em 10 GHz, "explica Krause. Isso tornaria o Fraunhofer Institute, com sede em Freiburg, a primeira fonte para esses dispositivos baseados em 100 V GaN. Isso é de interesse particular para aplicativos de alto desempenho, como aceleradores de partículas, aquecedores industriais de microondas, amplificadores de celular, radar e amplificadores de ondas contínuas e de pulso para geradores de plasma. Esses sistemas exigem altos níveis de potência de saída enquanto mantêm uma pegada preferencialmente pequena - exatamente o que a tecnologia 100-V pode oferecer.

Os aceleradores de partículas desempenham um papel importante na pesquisa, tecnologia médica e indústria. São usados ​​geradores de plasma na faixa de alta frequência, por exemplo, para processos de revestimento na produção de chips baseados em semicondutores, mídia de armazenamento de dados ou células solares.

Semicondutores de potência substituem componentes de vácuo

Outro grande campo de aplicação industrial são os geradores de energia para aquecimento por microondas. "Nesta área, a indústria geralmente trabalha em frequências mais altas, mas componentes de vácuo, por exemplo. magnetrons ou clístrons, são predominantemente usados ​​até hoje. Aqui, estamos trabalhando para fornecer uma alternativa baseada em semicondutores. Os semicondutores são muito mais compactos e leves, que permite arranjos como matrizes em fases, "diz Krause.

Por muito tempo, componentes baseados em tubos (por exemplo, tubos de ondas viajantes) dominaram os sistemas eletrônicos com alta potência de saída. Contudo, o desenvolvimento está caminhando para semicondutores de potência. Os cientistas da FraunhoferIAF acreditam que a tecnologia 100 V baseada em GaN pode fornecer uma alternativa eficiente para aumentar a potência dos geradores de microondas.