第三代半導體引領(lǐng)5G基站技術(shù)全面升級

5G 受到追捧是有充足的理由的。根據CCS Insight 的預測，到2023 年，5G 用戶(hù)數量將達10 億；2022 年底，5G蜂窩基礎設施將承載近15％的全球手機流量。

高能效、尺寸緊湊、低成本、高功率密度和高線(xiàn)性度是5G 基礎設施對射頻半導體器件的硬性要求。對于整個(gè)第三代半導體技術(shù)，尤其是氮化鎵（GaN），5G 開(kāi)始商用是一大利好。與硅、砷化鎵、鍺、甚至碳化硅器件相比，GaN 器件的開(kāi)關(guān)頻率、輸出功率和工作溫度更高，適合1-110 GHz的高頻通信應用，涵蓋移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)微波通信，以及雷達應用。集這些優(yōu)點(diǎn)于一身，GaN 已被證明非常適合5G 基站功率放大器，取代4G 以及前幾代無(wú)線(xiàn)基礎設施廣泛應用的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）。與LDMOS 相比，GaN 使系統能夠實(shí)現更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太復雜的冷卻硬件。GaN 在5G 頻譜中的更高能效表現可以降低位/秒的運營(yíng)成本以及環(huán)境影響。同樣，GaN 更適應高濕度、多灰塵、極熱和功率波動(dòng)的工作環(huán)境，性能受到的負面影響極小。

Filippo Di Giovanni(意法半導體汽車(chē)和分立器件產(chǎn)品部)

就寬帶性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs 為主要代表的傳統技術(shù)遠遠落后于GaN（高電子遷移率晶體管）技術(shù)，無(wú)論襯底是硅還是SiC，都是如此。正是這項技術(shù)滿(mǎn)足了5G 應用對散熱的嚴格要求，同時(shí)確保節省印刷電路板空間，滿(mǎn)足大規模MIMO 天線(xiàn)陣列的安裝需求。在基站中，節省空間的多功能GaN（單片微博集成電路）芯片和多片模塊取代了分立設計。

此外，5G 新頻段射頻信號和數據處理硬件導致功耗不斷增加，使5G 基站的整個(gè)供電系統，從電網(wǎng)容量到機柜尺寸、備用儲電系統、功率密度和電力電子設備的冷卻能力，不堪重負。因為在功率轉換應用方面的價(jià)值主張，例如，能效和功率密度比其它功率半導體技術(shù)更高，GaN 再次成為5G 熱點(diǎn)的最大受益者之一。

另一方面，5G 的興起要求電信設備供應商建立一個(gè)大規模生產(chǎn)且多廠(chǎng)供貨的彈性供應鏈。GaN 技術(shù)從典型的III-V 制造工藝和晶圓廠(chǎng)到量產(chǎn)方法的過(guò)渡期是關(guān)鍵。在碳化硅襯底上生長(cháng)GaN 的方法可能會(huì )受到襯底供應緊張的困擾，而硅基GaN 可以通過(guò)合理的性能折衷來(lái)滿(mǎn)足這一需求。為了避免任何可能的材料供應問(wèn)題，意法半導體決定，開(kāi)發(fā)GaN 使用硅襯底而不是碳化硅。

5G 時(shí)代不僅宏基站的密度將會(huì )更高，需要功率密度更高的基站收發(fā)臺，而且還會(huì )出現更小的網(wǎng)絡(luò )單元（“皮基站”和“飛基站”），以增加網(wǎng)絡(luò )容量，擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍。當然，主要目標是減輕宏基站的過(guò)重負擔。5G 開(kāi)始商用還改變了射頻信號頻段，以及信號收發(fā)方式。當前，我們看到的大多數移動(dòng)通信頻率是在3 GHz 以下和3 GHz 至6 GHz（低于6 GHz）的中頻段，不過(guò)，現在開(kāi)始出現以前被認為不適合移動(dòng)通信的新頻段，例如，高于24 GHz 的高頻毫米波。物聯(lián)網(wǎng)、V2V（車(chē)間通信）、自動(dòng)駕駛、遠程醫療、智能制造等新興應用刺激了對更高比特率和更短延遲的需求，迫使基站廠(chǎng)商采用基于多輸入和多輸出的新架構，即可以處理大量信號的大規模MIMO（多輸入和多輸出）天線(xiàn)。預計基站有源天線(xiàn)波束成形技術(shù)將繼續取得進(jìn)步，最大限度地提高頻譜利用率。在5G 開(kāi)始商用過(guò)程中，安裝小型蜂窩天線(xiàn)的部署將推動(dòng)市場(chǎng)對緊湊、高效的RF GaN 器件的需求。大規模MIMO 基站中5G 信號處理電路功耗的設計人員，將更加注重半導體能效，進(jìn)而求助GaN 供應商開(kāi)發(fā)出更高性能的產(chǎn)品。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）