מבוא לחומרים משניים בעיצוב Power Amplifier

מגברי חשמל הם אבני בניין בסיסיות במערכות אלקטרוניות מודרניות, מתשתית תקשורת אלחוטית לרדאר, לשדר ואלקטרוניקה לצרכנים.בכמה עשורים האחרונים, התקדמות בעיצוב מגבר כוח הלכו בעיקר בעקבות הסקאלה של סיליקון ו- III-V מוליכים למחצה.עם זאת, כאשר אנו ניגשים למגבלות הפיזיות של חומרים קונבנציונליים אלה, הצורך בשינוי יסודי בחומרים הופך קריטי.

חומרים דקים אלה מציגים תכונות כי הם לעתים קרובות מעלים את עמיתיהם הגדולים, המאפשרים רמות חסרות תקדים של מוליכות, תחבורה תרמית וגמישות מכנית. עבור מגברי כוח, ההשלכות הן עמוקות: יעילות גבוהה יותר, רוחב פס רחב יותר, מופחת באופן משמעותי גורמים צורה, ואת הפוטנציאל לשילוב בפלטפורמות גמישות ולבושות.קהילת המחקר והתעשייה עדיין מוקדם במסע, אבל המסלול מציין כי 2D חומרים reshapetretretretretret ביצועים בעשור הקרוב.

נכסים בסיסיים של 2D חומרים מפתח כדי לחזק את הכוח

המונחים: Carrier

Graphene יש את הניידות הגבוהה ביותר הידוע לשמצה נושאת המטען המוביל, מעל 200 ס"מ / Vs בטמפרטורת החדר בתנאים אידיאליים. הנכס הזה מתורגם ישירות להורדת על-resistance in power amplifiers, צמצום אובדן התנהגות ומאפשרת מתגים נוכחיים גבוהים יותר עבור מכשירים כוח, זה אומר פחות חום ליחידת כוח מוגברת ויעילות כללית יותר בעוד 2D2s כגון מגפיפות שחורות.

המונחים: thermal Conductivity

Graphene גם מציג מוליכות תרמית בטווח של 3,000 עד 5,000 W / mK, על פני יהלום וכל חומר ידוע אחר.ניהול תרמי יעיל הוא אחד האתגרים המתמשכים ביותר בעיצוב מגבר כוח.הבנייה של חום ביצועים, מייעלת אמינות, ומעצבי כוחות כדי לשלב טמפרטורות חום מסיביות ומערכות קירור.

גמישות מכנית ו Transistor Scaling

מכיוון שחומרי 2D הם רק אחד עבה, הם גמישים ושקוף מטבעם, זה פותח את הדלת למגברי חשמל שניתן להטמיע בתצוגה גמישה, חיישנים רפואיים עונדים, ואנטנות תואמים.הטבע הדק מבחינה אטומית גם מאפשר אורך שער אגרסיבי מדרג ללא סבל מאפקטים קצרים של גלימות ממגפת מתחת ל-10 ננומטר.

היתרונות של Graphene וחומרים אחרים 2D עבור Power Amplifier

יעילות גבוהה יותר וקווירנטיות

יעילות במגברי כוח היא מדד של האופן שבו כוח DC מומר לכוח פלט RF.התנהגות בלתי-אידאלית של טרנסטור, הפסדים מנוגדים, ואפקטים תרמיים כל יעילות הדרגה.(Graphene-based Transistors) יכול להשיג נמוך מאוד על-resistance וסתירות נוכחית גבוהה, אשר משפרת ישירות את היעילות המוגברת כוח (PAE), יתר על כן, את ההסתברות ליניארית של גרף-ה של גרף-Dactistance הוא גם פיזור ליניארי חשוב של אלקטרו-AMD.

אולטרה-וריד בנדוויד' המבצע

ניידות גבוהה וכובע צנחן קצבי נמוך של טרנזיסטים גרפן מאפשרים להם לפעול על פני טווח תדר עצום, מ- DC ל- 500 GHz במכשירים אבטיפוס.זהו שינוי משחק עבור מגברי פס רחב שחייב להתמודד עם מספר רב של להקות תדר בו זמנית, כגון אלה המשמשים רדיו מוגדר תוכנה, ציוד בדיקה ומערכות אלקטרוניות.

אינטגרציה קומפקטית ושילוב

מכיוון ששכבות חומר 2D הן זעירות מבחינה אטומית, מעגלי מגבר כוח שלמים יכולים להיות בנוי עם גובה ערימה אנכי מינימלית. בשילוב עם מוליכות תרמית גבוהה שהוזכרה קודם לכן, זה מאפשר למעצבים לארוז יותר שלבים מגבר לתוך טביעת רגל קטנה יותר מאשר אפשרי עם טכנולוגיות 3-V קונבנציונליות.שילוב מונוליטי של 2D חומרים עם CMOS או GaN-SiC הוא גם אזור פעיל של מחקר, המאפשר פתרונות אותות שליטה דיגיטלית, כולל מערכת בקרה יחידה, שיכולה, כולל פתרונות בקרה, כלומר, כלומר, כוח יחיד, ואפקטים, כולל פתרונות בקרה, כלומר, ואפקטים, כלומר, כלומר, עיבוד יחיד, כלומר, כלומר, מערכת בקרה דיגיטלית, כלומר, כלומר, עיבוד יחיד, מערכת בקרה, כוח אחד על ידי מערכת בקרה, על ידי מערכת בקרה, מערכת בקרה, כוח אחד, על ידי מערכת בקרה, כוח אחד, על ידי מערכת בקרה, ואפקטים, כלומר, יעיל של כוח יחיד, עם CMOS, עם CMOS, עם CMOS, עם CMOS, מערכת בקרה, עם CMOS, עם CMOS, על ידי עיבוד יחיד, מערכת בקרה, על ידי עיבוד יחיד, מערכת בקרה, מערכת בקרה, עם CMOS,

אתגרים בביצוע 2D חומרים ב- Power Amplifiers

סינתזות ופיסול

הפחתת איכות גבוהה, סרטים גרפן גדול עם תכונות אחידות נשאר משמעותי hurdle. Chemical vapor deposition (CVD) היא השיטה הניתנת להיקף ביותר, אבל הסרטים המתקבלים הם פוליקליסטל, עם גבולות דגנים אשר מתפזרים ספקים ולהפחית את הניידות.עבור MoS2 ו- WSe2, האתגר הוא אפילו גדול יותר, כמו גדול אנזה-asyn עם שכבת נפח נשלט עם מספר סימטריהת חומרים לא פחותהל-דלקתיים עם עלויות תחרותית עדיין לא יהיה מוגבל של חומרים סגסוגת נמוכה יותר.

התנגדות מגע ושליטה

כדי לממש את היתרונות של ניידות גבוהה, ההתנגדות ליצירת קשר בין חומר 2D ואלקטרודות מתכת חייב להיות ממזער. בפועל, השגת מגעים הוממתי עם מגע ספציפי מתחת 10 -7 ⁇ ס"מ2 הוכיח קשה, במיוחד עבור רחב פסגפ 2D מוליכים למחצה כמו MoS2. באופן דומה, מדויק ויציבות נדרש כדי מהנדס סף ואופטימיזציה של טכניקות כגון אלקטרוסטציה, עדיין לא הוכח כי הוא כוח אפילפטית, אבל עדיין לא הוכח כי הוא צורך ריכוזים אלקטרוליטי, אבל עדיין יש צורך ריכוזים חסכוני, אבל יש צורך.

יכולת ועברה

Graphene עצמו יציב מבחינה כימית, אבל הטבע אפס-פס שלה מוביל דליפה גבוהה מחוץ למדינה, אשר אינו רצוי במגברי מתג-מודה.המעבר מתכת dichalcogenides מציעים להקה אבל הם לעתים קרובות רגישים חמצן ולחות, המוביל להידרדרות ביצועים לאורך זמן.

שילוב עם תהליכים Semiconductor הקיימים

עיצוב מגבר כוח אינו מתרחש בבידוד.זה דורש דו קיום עם מגברי הנהג, מתערבבים, ממריצים, ולשלוט לוגיקה.עבור חומרים 2D כדי להיות מאומצים, הם חייבים להפגין תאימות עם סיליקון סטנדרטי ותהליך GaAs / GaAs / GaAsN זורם. זה כולל סובלנות לתקציב תרמי, ניקוי כימי צעדים, ותהליכי ליתוגרפיה קיימים בשפע; כל יתרון משמעותי חייב להצדיק את הביצועים של קו ייצור מספיק כדי להצדיק את זה.

כיוונים מחקר נוכחיים ופיתוחים

Hetero Structures ו- van der Waals Engineering

אחת ההתפתחויות המרגשות ביותר היא היכולת לערעור חומרים 2-D שונים על גבי אחד לשני כדי ליצור את Van der Waals hetero מבנים. על ידי שילוב גרפן עם hBN, MoS2, או זרחן שחור, החוקרים יכולים להתאים התאמות ללהקה, ליצור מחסומים מנהרה, וממשק סימפוניות ממשק. עבור מגברי חשמל, זה מאפשר עיצוב של בעלי יכולת גבוהה מסוג אלקטרונים (HMAD) אבל הוא כבר מחקה 2DV העליון של תכונות מתקדמות (N) עם תכונות מתקדמות (N) אבל זרם DMT) עם תכונות מתקדמות עם תכונות מתקדמות (N) ו-DVDVDVDV.

Graphene Field-Effect Transistors (GFET) עבור מילימטר-ואב כוח Amplifiers

GFETs הפועלים בתדרים של מילימטר (30 GHz ל-300 GHz) הוכחו עם מדדי ביצועים מבטיחים, כולל תפוקת חשמל של 0.5-1 W / mm ו- PAE מעבר ל-20%. חוקרים במוסדות כגון אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, ומכון ברצלונה למדע וטכנולוגיה דיווחו על GFET עם תדרי חיתוך (f) מעל 300GHz ומקסימום טכנולוגיות גלאז 'מממממממממ' (מקסימום) במיוחד עבור גלאז 'סולם') אשר יכול להיות יותר מאשר גלאז 'סולאריים חשובים של 100 GHz ו-GHz' (ממממממנפח) עם גלאז') במיוחד עם גלאז' (מ"ג') עם גלאז') עם גלאז 'מ"ג') עם תדרים) עם גלאז 'סולאריכים) עם גלאז' (מ"ר (מ"ג') עם תדרים גבוהים יותר מאשר גלאז') עם גלאז' ו-הרץ (מקסימום של אנרגיה עם גלאז') גבוה יותר מאשר גלאז 'מנפחים גבוהים יותר מאשר גלאז' ו-ג') מעל 100.

לסקירה מקיפה של אבני דרך GFET האחרונות, ראה:0) סקירה זו בחומרים כיוםFLT:1.

גמישות וטרנסג'נדר כוח

הגמישות של חומרים 2D הופכת אותם אידיאליים עבור מגברי חשמל המיועדים למכשירים לבישים וניידים. החוקרים בנו מגברים שקופה לחלוטין וגמונים מכניים באמצעות אלקטרודות גרפן ומ- MoS2 שכבות פעיל על תת-מין פולימרים. בעוד פלט הכוח כיום נמוך יותר מאשר יישום קשיח, הפוטנציאל לשילוב בגדי חכמים, התאמות רפואיות, ומציגים גמישים הוא משכנע.

דרישות נהיגה 2D חומר כוח מגביר את התפתחות

הבא:Generation Telcommunica (5G ו-6G)

הביקוש לפס רוחב פס רחב יותר, שיעורי נתונים גבוהים יותר ויעילות אנרגיה ב-5G ורשתות 6G מתעוררים מציב דרישות קיצוניות בתחנת בסיס וכוח המכשיר הנייד מגברות. טכנולוגיות GaN ו- Si LDMOS מגיעות למגבלות לינאריות ויעילות בשלבים מילימטריים-גלי גל. 2D חומרים מגברי חומר, עם הפוטנציאל שלהם לפעולה אולטרה-רחבה וסייליאניות גבוהה, נחקרים כתחליפים עבור סימולטורים במיוחד עבור סימולטור כוח דורשני.

מערכות הגנה ואוויר

לוחמה אלקטרונית ומערכות מכ"ם סריקות פעיל אלקטרונית (AESA) דורשות מגברי חשמל שיכולים לפעול על פני רוחב פס רחב של רגעי עם ליניאריות גבוהה והחלפת מהירה.האתגרים של ניהול תרמי במודולים תלת-ריים צפופים להפוך את מוליכות תרמית של גרפן במיוחד אטרקטיבית, ההפחתה במשקל מעיצובים מגברי קומפקטי יכול לשפר את יכולת הסיבולטיבולה וחיסכון של לוקהיד ולוויינים.

מכשירים Wireless

מכשירים רפואיים מותאמים לבישים, כגון קוצני קצב אלחוטיים, מקליטים עצביים ומשאבות אינסולין, דורשים מגברים בעלי כוח נמוך כי הם יעילים ו bioתואמים. 2D חומרים מציעים שילוב ייחודי של רעש נמוך, גמישות, ולא רעילות (עבור גרפן ורוב sulfides). חוקרים מפתחים מגברי חשמל גמישים שיכולים להשתלב לתוך biodeed או רב-ממדן לשימוש כירורגי עבור ההסרה של המכשיר לאחר הסרת צורך כירורגי.

תקשורת ולוויינים

משקל ואמינות הם ראשוניים במגברים המבוססים על חלל. 2D חומרים צפיפות נמוכה ויעילות גבוהה להפחית ישירות את עלויות השיגור.קשה הקרינה של גרפן ו- hBN היא גם עניין, שכן חומרים אלה פחות רגישים לעקירה נזק מחלקיקים באנרגיה גבוהה בהשוואה למוליכים למחצה קונבנציונליים.סוכנות החלל האירופית מממנת מספר פרויקטים חקרו מעגלים מבוססי גרף עבור לווינים קטנים וקוביות.

עתיד Outlook ומסחריות Timeline

ליד מגבלת בינוני (3 עד 7 שנים)

בטווח הקרוב, מבוא מסחרי של חומרים 2D במגברי חשמל יהיה כנראה מוגבל נישה, יישומים בעלי ערך גבוה שבו היתרונות של ביצועים להצדיק עלויות גבוהות יותר. אנו מצפים לראות מפיץ חום גרפן ושכבות ניהול תרמי משולבות במגנרים קונבנציונליים GaN בתוך השנתיים עד שלוש שנים הבאות. בתוך חמש עד שבע שנים, הראשון היברידי 2D / IIIV כוח מגבר עשוי להופיע בשכבות גבוהות, ציוד צבאי או מכפלת, במקום שיפור גרף פעיל של גרף, או גרף פעיל יותר מאשר גרף של 5 עד שבע שנים.

טווח ארוך יותר (7 עד 15 שנים)

אם אתגרים קריטיים בסנתזה, התנגדות מגע ויציבות נפתרים, ערוצים פעילים 2D יכולים להתחיל להחליף חומרים תלת-ו-V מסוימים יישומים מסוימים מגבר כוח.עבור אלקטרוניקה גמישה וניתן ללבוש, ציר הזמן עשוי להיות קצר יותר כי דרישות הביצועים נמוכים יותר והביקוש לגמישות הוא גבוה יותר.בסופו של דבר, אימוץ נרחב של חומרים 2D במגברים כוח יהיה תלוי בפיתוח של תהליך ייצור יציב וסטנדרטי, כולל פיתוח של מערכת ההפעלה 2Draation.

עבור פרספקטיבה תעשייתית על מפת הדרכים של 2D של שיווק חומרים אלקטרוניקה, מתייחס ל- FLT:0the Graphene flagship של RoadmapureFLT:1.

מסקנה

העתיד של עיצוב מגבר כוח הוא בצורת מחדש על ידי המאפיינים יוצאי דופן של גרפן וחומרים דו-ממדיים אחרים.נשאות המטען שאין כמותו, מוליכות תרמית גבוהה, וגמישות מכנית טבועה מציעים נתיב למגברי כוח שהם יעילים יותר, קומפקטיים, רחבים, ותכליתיים יותר מאלה שנבנו על טכנולוגיות מוליכים למחצה קונבנציונליים. בעוד אתגרים משמעותיים במרקם, הנדסה, חומר הנדסי, ואינטגרציה, ומערכת עדיין גבוהה יותר של מחקר הוא מהיר.

יישומים מונעים פרוטון ב 5G ו- 6G טלקומוניקציה, מכ"ם הגנה, עונדים רפואיים, ותקשורת לווינית כבר מספקים משיכה חזקה עבור טכנולוגיות מתפתחות אלה. as סינתזה טכניקות בוגרות ותהליכי ייצור להשיג את המדים הדרושים ואמינות, 2D כוח חומרי מגברי חשמל יעברו מתחנות מעבדה לרכיבים קיימא מבחינה מסחרית.

לקוראים המעוניינים בבדיקה טכנית עמוקה יותר, ניתן למצוא מאמר ביקורתי ב-FLT:0 (הטבע סוקר חומרים: 1) מציע סקר מעולה של השדה.בנוסף, פרספקטיבה קצרה יותר על התחזית התעשייתית ב-FLT:2IBM Research's Graphene ו- BeyondFLT 3:2IBM Research's Graphene and BeyondFLT.