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Robust und zuverlässig wie GaN-on-SiC-Produkte

Die Aussage „die thermischen Eigenschaften von GaN on SiC verbessern die Zuverlässigkeit des Leistungsverstärkers im Feld“, kann MACOM um Folgendes erweitern: Die genannte GaN-on-Si-Leistungstransistor-Serie MAGb hat bei einer praxisüblichen Basisstations-Umgebungstemperatur von 200°C einen MTTF-Wert von mehr als 10⁶ Stunden und beweisen damit, dass sie im Feld genauso robust und zuverlässig sind wie konkurrierende GaN-on-SiC-Produkte und dass sie hinsichtlich der Langlebigkeit im Feld auf dem Niveau früherer LDMOS-Transistoren liegen.

MACOM GaN konnte mit den thermischen Eigenschaften von GaN-on-SiC-Bausteinen gleichziehen, indem fortschrittliche Design-Techniken für den Transistor und das Gehäuse angewandt wurden. Durch ein optimiertes Die-Layout und neuartige Entwärmungs- und Die-Attachment-Verfahren wird der Unterschied der Wärmeleitfähigkeit von Si und SiC, der auf der Substrat-Ebene zwischen 15% und 30% beträgt, auf der Baustein-Ebene wieder ausgeglichen.

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Die vereinfachte Meinung „GaN-basierte Bausteine sorgen für Linearitätsprobleme, die sich nur schwierig per Digital Pre-Distortion korrigieren lassen“, lässt sich folgendermaßen präzisieren: Doherty-Verstärker (elektronische Verstärkerschaltung für Hochfrequenz-Signale) sind zwar wegen ihrer Effizienzvorteile recht beliebt, können aber infolge von Nichtlinearitäten etwaige Signalprobleme verschärfen. Korrigieren lässt sich dies per Digital Pre-Distortion (kurz DPD), jedoch hat sich gezeigt, dass das DPD-Verfahren bei GaN-on-SiC-Bausteinen schwierig zu implementieren ist. Aufgrund des bei SiC auftretenden Charge-Trapping-Effekts, der vermutlich durch Kristalldefekte in der Siliziumstruktur hervorgerufen wird, sind solche Leistungsverstärker etwas problematisch und weniger gut linearisierbar.

Verglichen mit anderen GaN-Technologien lassen sich die MAGb-Leistungstransistoren von MACOM dagegen einfach mit DPD-Verfahren linearisieren und korrigieren. Bei MACOM GaN entstehen die zuvor erwähnten Artefakte nicht in demselben Ausmaß, sodass diese Lösung in Basisstations-Anwendungen gegenüber LDMOS und GaN on SiC überlegen ist.

Die weitläufige Auffassung „Vorteile von GaN bezüglich Leistungsdichte werden durch die übermäßigen Kosten mehr als aufgehoben“ ist zu präzisieren.

Mit MACOM GaN lässt sich aus einem gleich großen Transistor-Chip vier- bis sechsmal mehr Leistung herausholen als bei einem LDMOS-Transistor. Wegen der GaN-Epitaxie kostet das Wafer-Material für MACOM GaN tatsächlich geringfügig mehr als im Fall von LDMOS. Die Effizienz der Wafer-Verarbeitung bei MACOM erlaubt es aber, die Zahl der Prozessschritte gegenüber LDMOS um 50% zu reduzieren, sodass die Mehrkosten pro Wafer vernachlässigbar sind. Unter dem Strich beträgt die Chip-Größe bei MACOM GaN zwischen einem Viertel und einem Sechstel der LDMOS-Chip-Größe, wobei prinzipbedingt eine niedrigere Kostenstruktur unterstützt wird.

Die höhere Leistungsdichte von MACOM GaN ermöglicht von sich aus die Verwendung kleinerer Gehäuse. Alternativ können Designer das bestehende Format der Leistungsverstärker beibehalten und dafür die Leistung anheben oder bei gleicher Leistung den Integrationsgrad erhöhen, um massive MIMO-Antennenarchitekturen für Sendung und Empfang zu berücksichtigen (MIMO; Multiple Input Multiple Output).

Die Transistor-Serie MAGb macht diesen Leistungsdichte-Vorteil deutlich. Als erste Produkte dieser Bausteinreihe kamen Single-Ended-Transistoren für Spitzenleistungen bis 400 W, Doppeltransistoren und Doherty-Konfigurationen in einem Gehäuse mit bis zu 700 W Spitzenleistung in symmetrischer oder asymmetrischer Konfiguration auf den Markt. Die mechanischen Abmessungen dieser Bausteine liegen auf dem Niveau weniger leistungsfähiger LDMOS-Bausteine und gleich leistungsfähiger GaN-on-SiC-Produkte.

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