GaN технология: преимущества и перспективы использования приборов на основе нитрида галлия в спутниковом вещании

Большие перспективы в сфере дальнейшего развития спутникового вещания имеет GaN технология. Она заключается в использовании нитрида галлия (GaN) для производства радиоэлектронных компонентов для спутниковых систем.

Разработка GaN технологии началась в 1990-х годах. Однако потребовалось около двадцати лет, чтобы появились работающие прототипы с компонентами из нитрида галлия. GaN продукты в виде транзисторов были созданы во второй половине 2000-х годов. Они работали с радиочастотами в диапазоне 2−4 ГГц. Мощность таких устройств варьировалась от 5 Вт до 50 Вт, позже появились устройства с показателями 120−180 Вт.

Изначально неясность перспектив GaN полупроводников препятствовала быстрому развитию этой технологии. В частности, операторы спутниковой связи и производители оборудования опасались рисков, связанных со сложностью выращивания GaN-кристаллов. К негативным сторонам новой технологии относилась также высокая стоимость полупроводников и, как следствие, затруднения с массовым производством.

Позже в спутниковом оборудовании всё же начали использовать GaN продукты. Этот процесс был запущен с 2010 года. Такие приборы имели большие по сравнению GaAs FET (арсенид-галлиевыми) транзисторами показатели по выходной мощности, а также по коэффициенту усиления мощности. Это сделало GaN продукты желанным оборудованием для радиолокационных станций, спутников и иных систем с высокой мощностью сигнала.

Сегодня усилители мощности сигналов, работающие на базе GaN технологии, демонстрируют впечатляющие технические и эксплуатационные показатели. Они надёжны и имеют длительный срок эксплуатации. Удешевление ряда производственных процессов позволило наладить массовое производство такой продукции.

Технология весьма перспективна. Об этом говорит хотя бы тот факт, что в настоящее время крупные корпорации, производящие оборудование для усиления мощности сигнала, занялись собственными разработками GaN приборов. В перспективе ожидается практически полное замещение на рынке GaAs и TWTA усилителей. Их место займёт оборудование на нитриде галлия.

Химическое соединение в виде кристаллической структуры GaN (нитрид галлия) активно используется в оптоэлектронике для создания оборудования, отвечающего за генерацию, передачу, хранение и отображение сигналов. Например, кристаллы GaN можно встретить в лазерах и солнечных батареях аппаратов, работающих в космосе, спутниковых преобразователях, BUC.

GaN технология успешно используется в спутниковом вещании: в приёмопередающем оборудовании и ретрансляторах, установленных на искусственных спутниках Земли и вращающихся вокруг планеты по геостационарной орбите. Кристаллы нитрида галлия вносят значительный вклад в обеспечение покрытия больших территорий устойчивым телевизионным сигналом, в том числе, и в местах труднодоступных для других способов ретрансляции.

Приборы, созданные по GaN технологии, обладают следующими показателями:

• Повышенная устойчивость к резким перепадам температуры (вплоть до критических показателей);
• Отсутствие реакции на ионизацию и радиационное излучение;
• Высокое напряжение пробоя (>100 Вольт);
• Сниженные показатели по потреблению энергии;
• Небольшие габариты и вес, если сравнивать с приборами, созданными по другим технологиям.

GaN оборудование демонстрирует высокие показатели при измерении КПД. GaN системы-усилители на 80% состоят из системы отвода излишнего тепла и блока питания. Тогда как непосредственно усилитель занимает лишь 20% объёма установки.

Другая особенность GaN приборов — низкие фазовые шумы и высокая линейность. Так, в одночастотном и многочастотном режимах подобные приборы «обходят» GaAs приборы на 2 дБ.

Достижение ранее недоступных высоких показателей выходных мощностей стало возможным, благодаря объединению системы фазового сложения с созданным по GaN технологии оборудованием для усиления сигнала.

На практике это конструктивное решение позволило кардинально трансформировать конструкцию станций телевидения прямого вещания (DTH), принимающих сигналы со спутников. Усилители мощности на нитриде галлия позволяют одновременно передавать большой объем информации. Причём, передача осуществляется посредством антенн, объединенных в одну систему. Это позволило снизить стоимость DTH-станций, а также наладить их массовое производство для повсеместной установки.

Благодаря GaN полупроводникам, нынешнее оборудование для фазового сложения частот сантиметровых длин волн в C-диапазоне достигает мощности более 6 кВт. Это открывает новые горизонты для развития наземной и спутниковой радиосвязи. Также известно о реализации технологичных проектов для Ku-диапазона, мощность которых составляет 3,6 кВт.

Вектор направленности развития спутниковых технологий требует увеличения:

• Плотности мощности сигнала;
• Длительности импульса;
• Дальности работы.

Все это позволит увеличить на выходе мощность и информативность ответа, а также уменьшить размеры и массу оборудования. Подобный эффект достигается при использовании кристаллов нитрида галлия.

Производители такого оборудования смогли найти решение ряда проблем, прежде чем начать серийный выпуск GaN полупроводников. Были найдены ответы на три основные вопроса:

1. Как добиться снижения себестоимости приборов.
2. Как добиться стабильности при эксплуатации в заданных условиях.
3. Как добиться высокой производительности при выпуске изделий.

В рамках разработки были проведены работы с типами подложки и уровнями проводимости ею тепла, параметрами корпусов приборов, составом слоёв металлизации и так далее. Успешные разработки легли в основу продукции, которую сейчас можно наблюдать на рынке оборудования для спутникового вещания.

Любая технология имеет плюсы и минусы. Современные GaN приборы создаются на основе кристаллов нитрида галлия. Они получают особые свойства этого полупроводника. Помимо максимальных значений мощности, среди достоинств отметим:

• Большую ширину запрещённой зоны (промежуток между зоной валентности и зоной проводимости) — около 3,5 эВ;
• Большие коэффициенты проводимости тепла (свыше 1,5 Вт/м*К);
• Высокие значения подвижности электронов и скорости их насыщения (порядка 2000 см2/В*с и 2,7*107 см/с).

Если сравнивать с полупроводниками на арсениде галлия и кремнии, то GaN приборы демонстрируют лучшие показатели. Например, ширина запрещённой зоны в три раза больше, чем у оборудования на кремнии. Это улучшает показатели работы приборов в условиях повышенного радиоизлучения и критических температур. Так, если кремниевые приборы выдерживают температуры до +200 градусов, то GaN оборудование функционирует при +500 градусов.

Созданные на основе кристаллов нитрида галлия радиоэлектронные компоненты имеют существенно большую теплопроводность, если сравнивать технологические показатели с характеристиками приборов, построенных по другим технологиям. Это делает ненужной систему охлаждения, позволяя уменьшить габариты и массу оборудования.

Указанные и другие технологические достижения позволяют GaN приборам заменить в силовых системах транзисторы, построенные по технологиям Si и SiC. Это гарантия защиты электрических сетей от перегрузок и авральных отключений, а также от снижения потребления энергии в системах запуска электрических двигателей.

О недостатках: если сравнивать с приборами на основе карбида кремния, то GaN технология имеет серьёзный минус. Это достаточно высокий положительный температурный коэффициент сопротивления, который приводит к худшему распределению тока между параллельно включёнными транзисторами. Также у GaN приборов более низкий порог сопротивляемости перегрузкам, чем у кремниевых.

GaN компоненты применяются в зарядных устройствах приборов. Помимо этого, технология востребована в сфере спутникового вещания и в других отраслях, где имеется нужда в приборах с высокими значениями рабочих токов и напряжением от 1000 Вольт.

Известно об успешном создании образцов инверторов по GaN технологии, работающих на частоте 1 МГц. А если говорить о серийном производстве, то уже доступны приборы с частотой до 250 кГц. Это при том, что кремниевые «аналоги» выдают показатели лишь до 150 кГц.

При повышении частоты инвертор становится компактнее из-за уменьшения размеров дросселей и трансформаторов. Это открывает перед GaN технологией большие перспективы развития в рамках создания легкового транспорта с электрическим двигателем (электрокаров, электромобилей).

GaN приборы пригодны для использования на солнечных электростанциях. Эта технология подойдёт для мини-станций, обслуживающих частные дома и иные небольшие постройки. Компактность инвертора позволяет производить его монтаж на крышах строений в непосредственной близости от солнечных батарей.

Приборы с кристаллами нитрида галлия используются как в мирных, так и в военных сферах промышленности. Например, активные исследования в рамках GaN технологии проводятся военными структурами. Известно, что основное внимание сосредоточено на разработках полевых транзисторов. Также создаются все новые образцы приборов с высокими значениями мощности для дальнейшего использования в системах связи, а также иных космических и оборонных проектах.

Сейчас у полупроводниковых приборов, созданных по GaN технологии, имеются хорошие промышленные перспективы за счёт:

• Упрощения конструкции;
• Уменьшения стоимости систем с нитридом галлия;
• Способности одного мощного транзистора перекрыть сразу несколько частотных диапазонов;
• Возможности получения широких полос усиления;
• Снижения потребления энергии и, как следствие, удешевления эксплуатации.

Постепенно более миниатюрные GaN приборы могут вытеснить своих кремниевых «конкурентов» из сегментов рынка по производству и эксплуатации устройств индивидуального пользования. Это зарядные устройства, блоки преобразователи, накопители энергии, солнечные панели и так далее. Также большой потенциал видится в использовании GaN компонентов там, где жёстко заданы объёмы оборудования. Например, по GaN технологии могут строиться зарядные станции для электрокаров, базовые станции мобильной связи, системы управления трёхфазными электродвигателями и прочее.

Приборы на карбиде кремния полностью не уйдут в небытие, поскольку имеют большой плюс в виде высокой устойчивости к перегрузкам. Указанная технология наверняка и далее будет применяться на крупных электростанциях и объектах сетевой инфраструктуры.

Физические свойства материалов сохранят существующее разделение областей применения разных полупроводниковых материалов. Однако при дальнейшем развитии технологий GaN, приборы вполне могут найти своё применение и в тех нишах рынка, где сейчас традиционно используются другие технологии.