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Wide-Bandgap-Halbleiter Ein Plädoyer für GaN auf Silizium in Mobilfunk-Basisstationen

| Autor / Redakteur: Markus Schäfer * / Gerd Kucera

Als Hersteller von Leistungshalbleitern für den Mikrowellen- und HF-Markt setzt MACOM besonders auf seine 4. Generation der GaN-on-Si-Technologie für Mobilkommunikation und HF-Energie.

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Bild 1: Als Alternative bisheriger LDMOS-Lösungen in Basisstation-Anwendungen offeriert MACOM neue GaN-Leistungstransistoren mit der Bezeichnung MAGb-101822-240B0P und MAGb-101822-120B0P, die auf der Gen4-GaN-Technologie des Herstellers basieren.
Bild 1: Als Alternative bisheriger LDMOS-Lösungen in Basisstation-Anwendungen offeriert MACOM neue GaN-Leistungstransistoren mit der Bezeichnung MAGb-101822-240B0P und MAGb-101822-120B0P, die auf der Gen4-GaN-Technologie des Herstellers basieren.
(Bild: MACOM)

LDMOS-Bausteine (Lateral Diffused Metal Oxid Semiconductor) sind Leistungshalbleiter, die unter anderem in Basisstationen von beispielsweise GSM- und UMTS-Netzen zur Verstärkung der Sendesignale im Mikrowellenbereich eingesetzt werden.

Auf dem seit Jahrzehnten von LDMOS-Transistoren beherrschten Markt für Leistungsverstärker gibt es mit der GaN-Technologie (Galliumnitrid) einen Konkurrenten mit bedeutenden Vorteilen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Betriebskosten von Mobilfunk-Basisstationen.

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Zu den klaren Vorteilen von GaN gehören höhere Energieeffizienz, größere Bandbreite, höhere Leistungsdichte und kleineren Abmessungen. Damit ist GaN der logische Nachfolger von LDMOS für die nächste Generation von Basisstationen speziell für die Frequenzbänder oberhalb von 1,8 GHz. Während GaN früher preislich in keiner Weise mit LDMOS konkurrieren konnte, senkt die vom Hersteller MACOM angebotene GaN-auf-Silizium-Technologie (GaN on Si) der vierten Generation (bezeichnet als MACOM GaN) die Kostendifferenz deutlich.

Nachfolgend beschreibt der Artikel die Eigenschaften von LDMOS, GaN-auf-Siliziumkarbid (GaN on SiC) und MACOM GaN (GaN on Si). Dabei kommen Vor- und Nachteile zur Sprache, die aus der Sicht der Leistungsfähigkeit über die Kosten bis zur logistischen Infrastruktur näher betrachtet werden.

Mit seinem über sechs Jahrzehnte erworbenen Erfahrungsschatz und einem Knowhow im Bereich der Anwendungen für die Mobilfunk-Infrastruktur ist MACOM in der Lage, die Eignung dieser Technologien für den Einsatz in kommerziellen Basisstationen zu beurteilen. Indes halten sich bis heute einige Interpretationen und Meinungen zum Verbundhalbleiter GaN, wie beispielsweise „GaN-on-Si-Leistungstransistoren bieten nur vernachlässigbare Effizienzvorteile gegenüber LDMOS und erreichen nicht die Effizienz von GaN-on-SiC-Bausteinen.“„GaN-on-Si-Leistungstransistoren bieten nur vernachlässigbare Effizienzvorteile gegenüber LDMOS und erreichen nicht die Effizienz von GaN-on-SiC-Bausteinen.“„GaN-on-Si-Leistungstransistoren bieten nur vernachlässigbare Effizienzvorteile gegenüber LDMOS und erreichen nicht die Effizienz von GaN-on-SiC-Bausteinen.“

Die GaN-on-Si-Leistungstransistoren MAGb von MACOM erreichen einen Wirkungsgrad von mehr als 70% und eine lineare Verstärkung von 19 dB bei 2,6 GHz. Mit dem richtigen Wellenwiderstand abgeschlossen, können die Bausteine Spitzen-Wirkungsgrade von über 80% erzielen. Dieses Energieeffizienz-Profil konkurriert bereits mit dem von klassenbesten GaN-on-SiC-Bausteinen und bedeutet eine Effizienzsteigerung von 10% gegenüber früheren LDMOS-Lösungen. Richtig genutzt, kann sich diese Effizienzverbesserung aufgrund niedrigerer Stromrechnungen entscheidend auf die Betriebskosten der Service Provider auswirken.

Auch bei den Kapitalinvestitionen sind Einsparungen möglich, da sich die Größe des Kühlkörpers und der Stromversorgung sowie die Gesamtabmessungen des Remote Radio Head minimieren lassen. Die Stromkosten, die durch die Umstellung der in einem Jahr installierten neuen Makro-Basisstationen auf GaN-Technologie eingespart werden können, belaufen sich je nach Energiekosten auf fast 90 Mio. €, wenn man einen durchschnittlichen Stromtarif von 0,09 €/kWh zugrunde legt.

(ID:44076922)