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25 - MICROONDAS DISPOSITIVOS GaN

INFORME TÉCNICO: IMPLEMENTACIÓN Y DESEMPEÑO DE SEMICONDUCTORES DE NITRURO DE GALIO EN FRECUENCIAS DE MICROONDAS El uso de dispositivos basados en Nitruro de Galio representa un avance tecnológico significativo para la radioexperimentación en bandas superiores a 3 GHz. Este material semiconductor de banda prohibida ancha ofrece propiedades electrónicas y térmicas superiores a las tecnologías tradicionales de silicio y arseniuro de galio, permitiendo el desarrollo de amplificadores de alta potencia y eficiencia en el espectro de microondas. Fundamentos físicos y adaptación de impedancias El GaN posee una intensidad de campo de ruptura de 2 MV/cm, un valor significativamente mayor que los 0.3 MV/cm del silicio y los 0.4 MV/cm del GaAs. Esta propiedad permite que los dispositivos operen a voltajes de polarización y densidades de corriente elevados, resultando en una densidad de potencia de microondas entre 3 y 5 veces superior a la de las tecnologías competidoras. En términos de diseño de circuitos, mientras que las impedancias de salida de los dispositivos LDMOS se vuelven difíciles de adaptar por encima de 1.5 GHz, los dispositivos GaN mantienen impedancias de salida más elevadas que facilitan la adaptación a redes de 50 ohmios en frecuencias de hasta 4 o 5 GHz. La alta velocidad de saturación electrónica de 2.5 × 10⁷ cm/s, superior a la del silicio, reduce las pérdidas y mejora el rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia. Linealidad y eficiencia en modos digitales La tecnología GaN ha impulsado un renacimiento en las arquitecturas de amplificadores de alta eficiencia, como las clases E, F y S, que anteriormente estaban limitadas a frecuencias de audio o VHF/UHF bajo debido a la falta de potencia en armónicos superiores en dispositivos LDMOS. La estabilidad térmica es un factor crítico; las simulaciones indican que entre el 40% y 50% de la resistencia térmica total reside en el sustrato de GaN y carburo de silicio, mientras que el resto corresponde al encapsulado. Las curvas de corriente-voltaje pulsadas y continuas en dispositivos GaN muestran una excelente concordancia, lo que indica efectos de atrapamiento de portadores muy bajos, favoreciendo la linealidad necesaria para protocolos digitales complejos. En aplicaciones como amplificadores Doherty para modos digitales, el GaN permite diseños compactos con una corrección de distorsión por intermodulación mediante pre-distorsión digital de hasta 27 dB. Consideraciones de implementación y seguridad Los dispositivos GaN operan típicamente a voltajes de drenador de 48V, aunque se han reportado densidades de potencia máximas a voltajes de hasta 120V. La gestión térmica es el principal desafío operativo, ya que la densidad de potencia tiende a limitarse a menos de 10 W/mm en modo pulsado y a 4-5 W/mm en modo continuo para mantener la temperatura del canal en niveles seguros. A diferencia de los dispositivos LDMOS, cuya potencia escala de manera lineal con la densidad de potencia, el GaN presenta limitaciones térmicas significativas en niveles de potencia muy altos, requiriendo sustratos de alta conductividad térmica como el SiC de 4 W/cm-K. El cumplimiento de los límites de exposición a radiofrecuencia y la pureza espectral es imperativo para garantizar la seguridad operativa y la coexistencia en el espectro. Rigor técnico y ética en la radioexperimentación La transición hacia tecnologías avanzadas como el GaN exige profesionalismo y un enfoque basado en datos verificables, alejándose de reportes puramente anecdóticos. La radioexperimentación contemporánea se fundamenta en la colaboración técnica y el intercambio desinteresado de metodologías de medición siguiendo estándares internacionales como los del manual ARRL. El uso responsable de las bandas de microondas debe respetar el Código de Ética de la IARU, priorizando la eficiencia del espectro y la instrucción individual a través del estudio de las ciencias físicas y la electrónica. La integración de estas tecnologías debe equilibrarse con la sostenibilidad, promoviendo el reciclaje técnico y la optimización del consumo energético.