[RF공부] 기지국용 Transistor 비교: LDMOS vs. GaN

안녕하세요
꼬마박사무니입니다.

 

오늘은 기지국용 RF transistor인 LDMOS와 GaN에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

LDMOS는 Laterally-diffused metal-oxide semiconductor의 약자이며

CMOS와 같은 silicon인 완전 4족 반도체입니다.

 

반면에 GaN은 Galium Nitride의 약자이며, 3-5족 화합물 반도체입니다.

 

Silicon을 사용하는 이유는 저렴하고 대량양산이 가능해서이죠. 따라서, LDMOS 트랜지스터가 기존의 방식이라면,

GaN은 화합물 반도체 방식을 이용해서 좀 더 높은 특성을 얻기 위해 도핑을 했다고 생각하면 됩니다.
(다른 종류의 실리콘 4족반도체도 유사합니다.
예를 들면 CMOS의 특성을 높이기 위해 모바일 핸드셋 어플레이케이션에서는 GaAs-HBT process를 사용하죠)

 

아래의 자료를 한번 보시죠

 

<Techniques and Challenges in Designing Wideband Power Amplifiers using GaN and LDMOS, EDI CON 2016, NXP>

위의 표는 LDMOS와 GaN에 대해서 2016년에 NXP에서 발표한 자료입니다.

1) Fmax: 즉 주파수 측면에서 GaN이 높죠? 따라서, 고주파 특성이 GaN이 유리합니다. 따라서 장점이 2.5GHz이상에서 사용한다고 되어있네요. 추세적으로 GaN이 더 낮은 가격으로 양산이 되기 시작하면서 1.9, 2.1GHz대역에서도 사용되어지고 있습니다만 전반적으로 주파수특성이 높다는 특성은 사실입니다.

2) Power density: 50V LDMOS가 2인대에 반해 GaN 50V는 5-10이네요. 보통 산업계에서 8정도를 잡고있으니 약 4배정도되는 어마어마한 차이입니다. power density, 즉 전력밀도가 4배 높다는것은 같은 파워를 내기 위해서 1/4사이즈로 만들 수 있다는 것이니 매우 중요한 요소이죠. '제품사이즈 경쟁력' 측면에서 매우 유리합니다.

3) Efficiency, P1dB: P1dB가 뭔지모른다면 이전의 포스팅을 참고해주세요. 이떄 LDMOS 28V의 60%에 비해 GaN 70%가 효율 10% 정도 높네요. 효율이 10%정도 높다는 뜻은 매우 큰 의미입니다.

예를 들어, RF 출력 60W인 제품을 만든다고 가정하면 소모전력은 효율 계산식을  (Eff= Prf / Pdc *100) 이용해 계산가능합니다.

LDMOS의 Pdc = 60W / 60% *100 = 100W이며,  

GaN의 Pdc = 60W / 70% *100 =  85.7W입니다. 14.3W의 차이가 나며, 소모전력을 약 14%가량 감소시킬 수 있으므로
에너지효율이 증대되니 (=전기세가 줄어드니) 제품경쟁력 측면에서 유리하겠죠? 기지국은 24시간 동작하니까요.

4-6) Bandwidth, Cds, Cgs: 모두 GaN이 2~4배 가량 유리합니다. 사실 이는 위의 2)에서 power density가 4배정도 높기때문에 Cgs, Cds가 모두 상대적으로 동일 W대비 낮을 수 있고 이로인해 대역폭이 증가하는 효과가 있습니다.

7) Breakdown voltage: 위에 없는 내용을 제가 추가해봤는데요. GaN소자의 경우 보통 150V 이상의 high breakdown voltage를 갖고 있어서 50V 동작이 가능해집니다. (보통 동작의 3배 이상을 잡거든요).

이에 반해 LOMOS는 65V 정도의 breakdown voltage를 갖고 있으므로 28V에서 동작점을 설정합니다. 2번째 탭의 LDMOS 50V는 특별한 경우로 1GHz under operating freq.에 한해 high breakdown LDMOS 공정을 이용해 동작시킵니다. 동작전압이 높으면 임피던스도 높아져서 매칭도 쉬워지겠죠? (Z = V / I)

 

위의 내용을 정리해서 요약해보면,

 

GaN Transistor는 LDMOS transistor에 비해 전력밀도가 약 4배가량 높으며
이로인해 효율, 대역폭, 주파수 특성 등이 모두 우수하다. 

 

그러면 이렇게 GaN TR는 장점만 가지고 있을까요 ?

 

세상에 그런것은 거의 없죠.

단점에 대해서 알아봅시다.

 

 

동일 자료에서 찾아 볼 수 있는 것인데요.

GaN을 소개하기 위해 만든자료인데, Design challenge에 대해서 설명하고 있으니 단점이라고 봐도 무방합니다.

1) Device Ruggedness: 이 특성이 떨어집니다. 이걸 사전에서 검색해보면 억셈, 투박함 정도로 나오는데요. 

견고함 정도로 보는게 맞을 것 같습니다. 50V GaN은 VSWR 20:1 까지 버틸 수 있는대에 반해 LDMOS는 65:1 조건에서 '생존'할 수 있다고 하네요. 따라서 LDMOS TR는 웬만한 악조건에서도 잘 죽거나 고장나지 않습니다. 제조사가 모든 operating condition을 예상하고 제품을 제작할 수는 없을텐데, 소자 자체가 튼튼하다는 것은 상당히 중요한 장점이겠죠?

 

2) Device Reliability: 소자의 신뢰성에 대한 항목으로 MTTF가 LDMOS가 높다는 것을 의미합니다. MTTF란 쉽게 말해서 소자가 불량을 유발하는데 걸리는 평균 시간을 의미하구요. MTTF는 주로 Tj-c를 가지고 계산되는데, 이는 TR를 패키징한 case의 junction temperature입니다.복잡한 설명은 생략하고 어찌되었든 이 MTTF는 부품 온도에 기인하는데, 

아까 위에서 설명한 GaN에 비해서 LDMOS는 전력밀도가 낮기 때문에 동일 출력을 위해서는 Transistor die size가 커지게 되고 아이러니하게도 발열 측면에서는 유리하게 됩니다? (더 넓은 die area로 열이 확산되기 때문에...)

 

3) Linearity: 선형성이라고 합니다. LDMOS는 hard saturation 특성을 갖고 있고, GaN의 경우 Soft saturation 특성을 갖고 있습니다. 즉 다시말해서 LDMOS TR의 P1dB 특성이 좋고, 선형성이 우수하다는것을 의미해요. 이는 4족 반도체의 특성으로 불완전 공유 결합이 일어나지 않기 때문이고, 따라서 GaN의 경우 trap effect 등의 선형성 열화 문제 등이 발생하는데 LDMOS는 이러한 현상이 발생하지 않아서 자유롭습니다.

 

4) Gate voltage: 위에 없는 Gate voltage에 대한 내용인데요. 설계입장에서는 참 위에것보다도 신경쓰이고 중요한부분입니다. LDMOS 소자의 경우 +인 positive, 양의 전원을 사용합니다. 이는 채널이 형성되지 않은 상태에서 +2V, 3V 이렇게 올려가면서 채널을 확장시켜서 제어하게 됩니다. 이를 "Normally Off Transistor"라고 부릅니다.
따라서, 아무런 전원이 인가되어있지 않은 LDMOS TR의 G-S, D-S의 임피던스를 찍어보세요. 정상이라면 둘다 Open 혹은 high impedance일 것입니다.

반면에, GaN TR의 경우 고주파 특성을 위하여 주로 음전원을 사용하게 되고 (D-mode), 채널이 형성되어 있는것을 -인 negative, 음전원으로 낮춰서 채널을 제어하게 됩니다. 이를 "Normally On Transistor"라고 부릅니다.
따라서, 아무런 전원이 인가되어있지 않은 GaN TR의 정상상태에서의 G-S임피던스는 open 혹은 high impedance 이지만 D-S의 임피던스는 매우 낮은 임피던스를 가집니다 (수~ 옴)

슬프게도... GaN TR의 경우 Bias Sequence를 실수하게되면 Transistor의 채널이 Fully 도통되어서 죽어버립니다 ^_^...
따라서 이를 방지하기 위한 회로 등이 요구될 수 있습니다.

How to Bias GaN Transistors Without Damaging the Device: A Video Tutorial, 2017, Qorvo.

또한 외부의 전원상황이 어떻게 되느냐에 따라 (예를 들면 공급전원 자체가 뽑힌다던가) gate가 먼저떨어지면 죽고 Drain이 먼저 떨어지면 TR이 사는? 재수없는 경우들의 불량이 발생할 수 있는 가능성을 열어놓고있습니다?...하하..

 

 

GaN TR를 비유해보면 세련되고 예쁘지만 쉽게 마음을 주지않고 항상 어디로 튈지 모르는 고양이 같다랄까요?

 

가만히 좀 있지 냥아...?

 

 

LDMOS vs. GaN의 특성요약을 해봅시다.

 

 

그렇다면 실제 Application에 대하여 알아볼까요?

"LDMOS Transistor"

1) 기지국용 1GHz 이하 application: 주파수가 낮은 쪽에서는 GaN과의 특성차이가 나지 않으며, 저렴한 가격, 높은 선형성, Ruggedness 등 빠지는게 없는 팔방미인입니다.

 

2) Drive stage로의 사용: LDMOS TR의 장점이 뭐였죠? 높은 선형성입니다. Main단으로는 부족하지만 여전히 drive stage로서는 강점을 갖고 있습니다. drive stage는 main단에 비해서 상대적으로 낮은 출력전력이 필요하므로 device size가 작아지게 되고 Cgs, Cds 등이 전부 줄어들게 되니 상대적으로 주파수 특성 및 대역폭 감소효과가 적어서 사용이 용이합니다.

 

"GaN Transistor"

사실 위의 경우를 제외하고 GaN 시장이 대부분 커지는 것이 사실입니다. 특성의 어느 정도 trade-off가 일어나는 1.8 / 2.1GHz 대역에서는 아직 LDMOS가 사용되는 곳도 있지만 GaN TR로 점점 바뀌어 가는 추세입니다. 

사실 장사라는게 제품 특성만 좋다고 팔리는건 아니거든요,
좋은 품질을 저렴한 혹은 경쟁력있는 가격이 되야 시장에서 팔리겠죠?

 

LDMOS 특성이 더 올라와서 시장을 좀 더 장악하고 있게될지,

GaN이 점점 market share를 먹어서 시장에서 저렴해져서 장악하게 될지 좀 더 지켜봐야 할 것 같습니다.

 

아참 참고로 GaN은 요즘 전기차에 많이 대체되는 전력반도체 소자이기도 한대요. 이쪽 시장이 통신시장보다 훨씬 크죠...

위으 LDMOS와 GaN의 비교가 마치 기존의 석유산업과 전기차산업의 비교처럼 보이기도 하네요.

 

 

 

오늘도 부족한 글 읽어주셔서 감사합니다.