Investigadores del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF han logrado aumentar significativamente la potencia de salida de sus transistores de alta frecuencia basados ​​en GaN para el rango de frecuencia de 1 a 2 GHz:pudieron duplicar el voltaje operativo de los dispositivos de 50 voltios a 100 voltios, logrando así una eficiencia de potencia agregada del 77,3 por ciento. Esta tecnología permite el desarrollo de amplificadores altamente eficientes con una potencia aún mayor, según sea necesario para aplicaciones en los campos de la generación de plasma, calefacción industrial, tecnologías de comunicaciones y radar.

La densidad de potencia de los transistores es uno de los criterios más importantes para su uso en aplicaciones de alta potencia en el rango de GHz. Determina el tamaño de los módulos amplificadores y, por lo tanto, en gran medida la complejidad del sistema, los cuales son decisivos para los costos de fabricación y el uso requerido de recursos.

Hay varias formas de aumentar la densidad de potencia de los transistores. Los investigadores de Fraunhofer IAF han elegido el camino de aumentar la tensión de funcionamiento:escalando el diseño del transistor vertical y lateralmente, han tenido éxito, por primera vez en Europa, en la realización de transistores de alta frecuencia adecuados para aplicaciones a una tensión de funcionamiento de 100 voltios. Estos dispositivos basados ​​en el nitruro de galio (GaN) semiconductor se caracterizan por una densidad de potencia significativamente mayor en frecuencias en el rango de GHz.

Las mediciones de laboratorio muestran una eficiencia récord

El rendimiento de estos dispositivos recientemente desarrollados para el rango de frecuencia de 1 a 2 GHz ya se ha demostrado en el laboratorio:las mediciones mostraron una densidad de potencia de más de 17 W / mm y una eficiencia de potencia adicional (PAE) del 77,3 por ciento a una frecuencia de 1,0 GHz. Esta es la eficiencia de potencia agregada más alta lograda para operación a 100 V en este rango de frecuencia jamás reportada. Las pruebas incluso han demostrado que esta tecnología ofrece una densidad de potencia superior a 20 W / mm a 125 V. Los investigadores presentaron sus resultados en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos (IEDM) en San Francisco por primera vez en diciembre de 2019.

El doble de voltaje para una potencia mucho mayor

"Aumentar el voltaje de funcionamiento de 50 a 100 voltios permite densidades de potencia más altas. Esto significa que un sistema puede entregar más potencia en la misma área que lo que es posible con las tecnologías de 50 V o 65 V disponibles comercialmente, "explica Sebastian Krause de Fraunhofer IAF, uno de los principales desarrolladores de la tecnología.

Por un lado, esto permite sistemas del mismo tamaño con mayor potencia de salida. Por otra parte, es posible crear sistemas más compactos y livianos que brinden la misma potencia, ya que se requiere menos área de chip para lograr el nivel de potencia deseado:"Al duplicar el voltaje de operación a 100 V, el transistor exhibe una impedancia de salida cuatro veces mayor para una potencia dada, "dice Krause. Esto permite la implementación de redes de emparejamiento más pequeñas y, por lo tanto, con menos pérdidas, que a su vez, da como resultado una mayor eficiencia energética del sistema en general.

Uso en sistemas industriales de alta potencia

"El objetivo a largo plazo de nuestro desarrollo es operar a través de 10GHz, ", explica Krause. Esto convertiría al Instituto Fraunhofer de Friburgo en la primera fuente de dispositivos basados ​​en GaN de 100 V de este tipo. Esto es de particular interés para aplicaciones de alto rendimiento como aceleradores de partículas, calentadores de microondas industriales, amplificadores de telefonía móvil, Radares y amplificadores de pulso y onda continua para generadores de plasma. Estos sistemas requieren altos niveles de potencia de salida y, al mismo tiempo, mantienen un tamaño preferiblemente pequeño, exactamente lo que puede ofrecer la tecnología de 100 V.

Los aceleradores de partículas juegan un papel importante en la investigación, tecnología e industria médica. Se utilizan generadores de plasma en el rango de alta frecuencia, por ejemplo, para procesos de recubrimiento en la producción de chips basados ​​en semiconductores, medios de almacenamiento de datos o células solares.

Los semiconductores de potencia reemplazan los componentes de vacío

Otro gran campo de aplicación industrial son los generadores de energía para calentamiento por microondas. "En este campo, la industria suele trabajar a frecuencias más altas, pero componentes de vacío, p.ej. magnetrones o klistrones, se utilizan predominantemente hasta la fecha. Aquí, estamos trabajando para ofrecer una alternativa basada en semiconductores. Los semiconductores son mucho más compactos y ligeros, que permite arreglos como arreglos en fase, "dice Krause.

Por mucho tiempo, Los componentes basados ​​en tubos (por ejemplo, tubos de ondas viajeras) han dominado los sistemas electrónicos con alta potencia de salida. Sin embargo, el desarrollo avanza hacia semiconductores de potencia. Los científicos de FraunhoferIAF creen que la tecnología de 100 V basada en GaN puede proporcionar una alternativa eficiente para aumentar la potencia de los generadores de microondas.