Von GaAs zu GaN
Die Entwicklung von HF-und Mikrowellen-Halbleitern
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Hochfrequenzenergie-Anwendungen
Die Entwicklung im gesamten Bereich der HF-Technik wird durch die Synthese der GaN-typischen Leistungsfähigkeit mit den von Silizium gewohnten Kostenstrukturen angekurbelt werden und neue Marktchancen erschließen. Eine dominierende Rolle werden hier die Anwendungen im Bereich der HF-Energie spielen. Hierbei geht es um den Einsatz kontrollierter elektromagnetischer Strahlung, um Objekte zu erhitzen oder alle möglichen Arten von Prozessen mit Energie zu versorgen. Heutzutage wird diese Art von Energie üblicherweise mit Magnetronen – also Vakuumröhren – erzeugt, doch in Zukunft wird man hierfür Halbleiter-Bauelemente verwenden. HF-Energie aus Halbleitern bietet einige Vorteile: die Ansteuerbarkeit mit niedrigen Spannungen, halbleitertypische Zuverlässigkeit, kleine Abmessungen und den Platzbedarf einer reinen Halbleiterschaltung auf einer Leiterplatte. Die bedeutsamsten Vorteile sind jedoch die hohe Frequenz-, Phasen- und Leistungs-Agilität, ergänzt mit höchster Genauigkeit. In ihrer Gesamtheit ergeben die Attribute der Technik eine gute Steuerbarkeit des Prozesses, eine gleichmäßige Energieverteilung und die Fähigkeit zur schnellen Anpassung an wechselnde Lastbedingungen. Durch die Einführung der Gen4 GaN könnten sich kommerzielle HF-Energie-Anwendungen stark verändern.
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Mikrowellenöfen
Erste Prototypen ohne Magnetron basierten auf LDMOS. Bis sich die Magnetrone in großem Stil ersetzen lassen, müssen jedoch die anvisierten Effizienzvorgaben erreicht werden. GaN schlägt eine Brücke zwischen dem Wirkungsgrad heutiger LDMOS-basierter Module und der angestrebten Wirkungsgradsteigerung um 10 Prozent. Mit einem Wirkungsgrad von 70 Prozent bei 2,45 GHz ermöglicht es die GaN-Technik von Macom, bestehende Magnetrone zu ersetzen. Auch wirtschaftlich schafft sie es, die auf Röhren basierende Technik aus den 1940er Jahren und die damit zusammenhängenden Fertigungs-Optimierungen abzulösen. Bei Mikrowellenöfen sorgt GaN für eine längere Lebensdauer, eine konstante Ausgangsleistung sowie die Möglichkeit, verschiedene Zonen kontrolliert zu erwärmen.
Plasmabeleuchtung
Der bestehende Markt für HF-getriebene Plasmabeleuchtung wird zu großen Teilen von der LDMOS-Technik abgedeckt. Bei der Plasmabeleuchtung setzt man üblicherweise niedrigere Frequenzen ein, die im dreistelligen MHz-Bereich liegen. Den allgemeinen Beleuchtungsmarkt konnte die Plasmabeleuchtung nur langsam erobern und hat letztendlich ihre beste Marktnische in der Beleuchtung von Gewächshäusern gefunden, da die Farbtemperatur der des natürlichen Sonnenlichts entspricht. Mittlerweile wird im Bereich der Plasmabeleuchtung versucht, die Frequenz in Richtung 6 GHz anzuheben und einen Wirkungsgrad von 70 Prozent zu überschreiten – ein Bereich, der für LDMOS äußerst anspruchsvoll ist. Mit GaN ist der gewünschte Wirkungsgrad dagegen leicht zu erreichen. Dank der höheren Leistungsdichte von GaN lässt sich die Größe der Transistoren reduzieren. Dadurch würde sich die Plasmabeleuchtungstechnik auch als Ersatz für Glühlampen anbieten.
Kfz-Zündanlagen, Heiz- und Trocknungssysteme
Aufgrund der hohen Leistung und des nach unten weisenden Kostentrends ist der Einsatz von GaN auch für Kfz-Zündanlagen sowie Heiz- und Trocknungssystemen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen eine attraktive Alternative zur LDMOS-Technik. Zum Beispiel erfüllen HF-basierte Zündsysteme die Voraussetzungen, um die konventionelle Zündkerzentechnik für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor abzulösen. Das gezielte Einleiten von HF-Energie in den Brennraum eines Fahrzeugmotors sorgt für eine gleichmäßige verteilte Zündung, was den Kraftstoffverbrauch deutlich senkt und zur Verringerung der CO2-Emissionen beiträgt. Außerdem erlaubt HF-Energie eine gleichmäßigere Erwärmung und Trocknung von Werkstoffen und vermeidet damit unerwünschte Temperaturgefälle – speziell bei Materialien mit schlechten Wärmeleiteigenschaften. Das kann dazu beitragen, Produktionsprozesse in Fertigungsanwendungen zu beschleunigen oder medizinische Arbeitsabläufe und Prozesse, bei denen es um das Erwärmen von Blut und Organen geht, zu verbessern. Ein weiteres Beispiel ist die Verbesserung chemischer Verarbeitungstechniken in wissenschaftlichen Anwendungen.
Mike Ziehl |
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ist seit knapp drei Jahren Vizepräsident des Marketings für den Geschäftsbereich Hochfrequenz und Mikrowellen bei Macom. Zuvor war er Teamleiter der Unternehmensgründung für die HF-Power-Multi-Market-Produkte bei NXP. Mike Ziehl schloss die Fairfield University mit einem Bachelor of Engineering ab und machte am Rensselaer Polytechnic Institute seinen MBA (Master of Business Administration). |
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