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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF- und

HF- und Mikrowellentechnik Crashkurs Galliumnitrid (GaN) Leistungsfähigkeit und Effizienz moderner Elektroniksysteme werden durch die aktiven Schaltelemente begrenzt. Die Siliziumtechnologie stößt hier an ihre Grenzen. Bessere Materialeigenschaften verspricht GaN. GaN wurde um 1930 synthetisiert und 1969 erstmals epitaktisch als Schicht aufgewachsen. 1971 gelang dann das Wachstum von GaN als Basis weiterer Entwicklungen. Hauptproblem bei der Herstellung von Bauelementen ist, aus GaN große Einkristalle für brauchbare GaN-Wafer herzustellen. Deshalb muss noch immer auf Fremdsubstrate ausgewichen werden, nämlich Saphir und SiC sowie Si. Die Herstellung von GaN-Einkristallen wird weltweit von einer Handvoll Firmen vorangetrieben. Ergebnisse waren die erste kommerzielle blaue LED und der erste blaue Halbleiter-Laser. Erste Prototypen von FETs auf Basis von GaN erlaubten Betriebsspannung bis 600 V, höhere Schaltfrequenzen und höhere Wirkungsgrade als die kostengünstigeren Si-Feldeffekttransistoren. Der III-V-Halbleiterwerkstoff GaN zählt heute zu den wichtigsten Halbleitern in der Elektronik. Dazu tragen folgende Eigenschaften bei: • On-Widerstand gegenüber einem Si- Transistor mit gleicher Stromtragfähigkeit mindestens eine Größenordnung kleiner • Eingangs- und Ausgangskapazitäten vergleichsweise sehr viel kleiner • Schaltzeiten (darum) viel kürzer als bei Siliziumtransistoren • Durchbruchs-Feldstärke etwa zehnmal so hoch wie bei Silizium • spannungsfestere, kompaktere Bauelementen und geringere parasitäre Verluste (darum) möglich • Bauelemente lassen sich gegenüber einem Si-Transistor bei höheren Temperaturen betreiben Die Anwendungsgebiete sind darum vielseitig und besonders ausgeprägt, wenn hohe Spannungen auftreten. Zu nennen sind u.a. Wechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Energieumsetzer für Elektrofahrzeuge, Mobilfunk-Basisstationen, satellitengestützte Solarkonverter für die Raumfahrttechnik, Luftfahrt und Radar. Eine noch kostengünstigere Massenproduktion ist derzeit das Ziel aller Hersteller. Europäische, japanische und amerikanische Produkte sind bereits kommerziell verfügbar. Recht weit gekommen sind wieder mal die Japaner. Das Marktwachstum für GaN-Leistungselektronik bis zum Jahr 2016 wird auf 500 Mio. USD geschätzt. Das Schlüsselbauelement für Anwendungen in der Leistungselektronik sind selbstsperrende FETs. Diese Transistoren sind lateral aufgebaut. Sie werden mit einer positiven Steuerspannung (bis 5 V) am Gate eingeschaltet und schalten bei fehlender Steuerspannung automatisch ab. Diese GaN-Transistoren sind inhärent sicher und eignen sich damit für Systeme, die eine besonders hohe Betriebszuverlässigkeit bieten müssen. Bei der Herstellung von GaN-Bausteinen ist die temporäre Konzentration der Ladungsträger (Charge Trapping) in der Epitaxieschicht und verschiedenen anderen Bereichen das Hauptproblem. Sie führt zu einer Leistungsverschlechterung, die meist als dynamischer Ein-Widerstand oder als Stromkollaps (bei HF-Verstärkern) auftritt. Statisch sind GaN-Leistungstransistoren hingegen ungefähr um den Faktor 5 besser als Silizium-Transistoren. print. Weiterhin erlauben das bessere thermische Verhalten und die höheren Durchbruchsspannungen von GaN größere Flexibilität und breitbandigere Auslegung des Designs. Höhere Pulslängen bzw. Tastverhältnisse sind möglich und größere Abweichungen vom Zustand der Leistungsanpassung. Für ISM und Multi-Market Der Einsatzbereich der Gallium-NitrideTechnologie, der sich ursprünglich nur auf Radar/ Luftfahrt konzentrierte hat sich inzwischen auf weitere Anwendungsfelder ausgedehnt. Viele industrielle Anforderungen können erfüllt werden. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Vielfalt der Gehäuseformen, die von klassischen SMT-Gehäusen über Plastik- Laminate bei den Modulen bis zu Keramik (geflanscht und ungeflanscht) reicht. In Bild 1 sind nur einige Beispiele zu sehen. Das Portfolio ist in Gruppen für 10, 14, 25, 30, 50 und 100 W CW eingeteilt. Die GaN-Power- Transistoren von Macom sind vielseitig einsetzbar. Breitbandige und nicht angepasste Ausführungen finden Anwendungen in verschiedensten Bereichen, wie ISM, drahtgebundene und drahtlose Kommunikation oder Messtechnik. Auch elektrisch sehr robust, wiederstehen die Halbleiter hohen Fehlanpassungen, wie sie etwa während des Anund Abschaltens der Betriebsspannungen oder durch Fehlbedienung auftreten können. Infolge der hohen Spannungsbelastbarkeit, der guten Wärmeableitung und des wenig kritischen Arbeitspunktes sind diese Power-Transistoren einfach und somit kostengünstig einsetzbar. Es wird eine mittlere Fehlerrate (MTTF) von 600 Jahren bei Kanaltemperaturen unter 200 °C gewährleistet. Die EAR99- Exportzulassung ist vorhanden. FS 5 - ) 6 4 , - 7 6 5 + 0 ) , / > 0 1 D H 2 = H J A H B H - 6 9 1 + 7 / > E I " / 0 5 ) 6 - 1 6 - 7 1 ) 6 1 . - 4 6 1 / 7 / 5 ; 5 6 - - / - 4 6 - 0 . 2 - 6 - 24 hf-praxis 5/2015

CPX_SCO_91x264 mm_CPX60_260.qxd 17.03.2015 15:32 Seite 1 Quarze und Oszillatoren Kompakt, effizient und günstig: SMD-Silizium-Oszillatoren CPX-22 Quarze und Oszillatoren ...klein, kleiner, am kleinsten 2.0 ±0.1 0.45 ±0.1 0.75 ±0.1 0.5 ±0.2 0.75 ±0.1 ➀ 4 C0.3 2.5 ±0.1 Top View ➀ ➁ Reference land pattern 1.1 0.8 ±0.1 0.9 ±0.2 0.8 ±0.1 1.05 ➁ 4 1.8 ➂ 2.05 x 2.0 x 0.45 UNIT: mm ➂ 1.35 SCO-22 4 ➂ ➀ ➁ Top View ➀ 4 ➁ ➂ Recommended Solder Pattern Die SMD-Silizium- Oszillatoren von Petermann- Technik dienen als hundertprozentiger direkter Pin-to-Pin- Ersatz von Quarzund MEMS-basierten Oszillatoren. Neben einem sehr geringen Stromverbrauch, minimaler Langzeitalterung und geringen Jitter-Werten zeichnen sie sich durch hohe Zuverlässigkeit und ein sehr günstiges Preisniveau aus. Dreißigfach höhere Langlebigkeit Im Vergleich zu herkömmlichen Quarz- und MEMS-Oszillatoren besitzen die Silicon-Oszillatoren eine dreißigfach höhere Langlebigkeit sowie eine größere Schock- und Vibrationsfestigkeit. Applikationen werden damit deutlich ausfallsicherer und günstiger. Petermann empfiehlt sie für neue Applikationsdesigns oder als Ersatz von Quarz- und MEMS-basierten Oszillatoren. Zu der Silicon-Oszillator-Serie gehören Ausführungen als Ultra-Low-Power-Oszillatoren, Ultra-Performance/Low-Power- Oszillatoren, High-Temperature/ Low-Power-Oszillatoren, Differential-XOs, VCXOs und VCT- CXOs bis 800 MHz, VCXOs, VCTCXOs, Stratum-3-Oszillatoren sowie Spread-Spectrum- Oszillatoren. Die Oszillatoren stehen je nach Bauteil im Frequenzbereich von 1 Hz bis 800 MHz und im Temperaturbereich von -55 bis zu +125 °C zur Verfügung. Einsatzgebiete Zu den bevorzugten Einsatzgebieten gehören Health- und Wellness-Monitore, Wearables, Consumer-Produkte, Smartphones, Tablets, Action-Videokameras, IoT, Smart Metering, Smart-Home-Produkte, Embedded Computing, Industrial (auch für hohe Umgebungstemperaturen), Telecom-, Medicalund Automotive-Applikationen sowie alle auf der Hibernation- Technology basierenden (BL/ BLE/GPS) Übertragungs- und Positionsbestimmungsgeräte. Also eigentlich alle Applikationen, die einen sehr günstigen und sehr leistungsfähigen Taktgeber benötigen. Durch das spezialisierte Designin-Engineering kann Petermann- Technik Kunden unterstützen, um eine sehr kurze Time-to- Market zu ermöglichen. Weitere Informationen erhalten Interessenten unter www.petermanntechnik.de/silicon-oscillators/. ■ Petermann-Technik GmbH info@petermann-technik.de www.petermann-technik.de CPX-42 CPX-32 Rudolf-Wanzl-Strasse 3 + 5 D-89340 Leipheim / Germany www.digitallehrer.de digital@digitallehrer.de Tel. +49 (0) 82 21 / 70 8-0 Fax +49 (0) 82 21 / 70 8-80 hf-praxis 5/2015 25 2.5 ± 0.2 ➃ ➃ UNIT: mm ➁ & 4 are connected with a cover 3.2 ± 0.2 Top View ➀ ➁ C0.3 ➂ 0.7 MAX Example of a Terminal Land Pattern 2.5 ± 0.2 ➂ UNIT: mm 4 ➂ ➀ ➁ 1.3 1.0 1.3 1.1 1.1 0.8 ➁ & 4 are connected with a cover 4.0 ± 0.2 4 Top View ➂ 2.0 0.8 MAX ➀ ➁ 1.2 0.7 ➀ • Sonderfrequenzen verfügbar! 3.2 x 2.5 x 0.8/0.6 ➁ Example of a Terminal Land Pattern 1.4 1.7 3.0 4.0 x 2.5 x 0.8 • Muster für Entwicklung & 2nd Source Freigabe kostenfrei! • Cross-Referenzen verfügbar zu EPSON, CITIZEN, NDK, Jauch, u.a. Hersteller! 4 UNIT: mm 4 UNIT: mm SCO-53 UNIT: mm ➂ ➀ ➁ ➂ ➀ ➁ 2.5 x 2.0 x 0.9 SCO-32 4 Top View ➂ ➀ ➁ Recommended Solder Pattern 3.2 x 2.5 x 1.2 Top View 4 ➂ ➀ ➁ Recommended Solder Pattern 5.0 x 3.2 x 1.3

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