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Gallium nitride based transistors for high-efficiency microwave switch-mode amplifiers

Galliumnitrid-basierte Transistoren für hochenergieeffiziente Schaltverstärker im Mikrowellenbereich
 
: Maroldt, S.

:
Fulltext (PDF; )

Freiburg/Brsg., 2010
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2010
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79591
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Schaltverstärker mit hoher Energieeffizienz und Ausgangsleistung sind Schlüsselelemente für die neueste Generation von Mobilfunkbasisstationen. Diese neuen digitalen Basisstationen verringern den Energieverbrauch, die Kosten und die Baugröße einer Basisstation, wobei gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet wird, mehrere Frequenzbänder und Mobilfunkstandards mit einem System zu bedienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Verwendung der Galliumnitrid-Technologie (GaN-Technologie) neuartige integrierte Leistungsverstärkerschaltungen entwickelt. Der Einsatz dieser Schaltungen in digitalen Klasse-D und Klasse-S Schaltverstärker in einer digitalen Basisstation trägt erheblich zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Durch eine Optimierung der GaN-Bauelemente und der gleichzeitigen Weiterentwicklung im Schaltungsdesign konnte erstmals eine Anwendung dieser Schaltungen im Mobilfunkfrequenzbereich zwischen 0.45 GHz und 2 GHz ermöglicht werden.
Dazu wurde zunächst ein Transistormodell für den Schaltbetrieb erstellt sowie eine Simulationsumgebung und ein Breitbandmesssystem für die Entwicklung des digitalen Schaltverstärkers eingerichtet. Der Entwurf der integrierten Schaltungen für den Einsatz in breitbandigen Schaltverstärkerkonzepten wurde am Beispiel eines zweistufigen Leistungsverstärkers untersucht, für den eine GaN-Technologie mit 0.25 µm Gatelänge verwendet wurde. Hierbei konnte die Schaltfrequenz durch eine gezielte Geschwindigkeitsoptimierung der Treiberschaltung auf über 1 GHz erhöht werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Transistoreigenschaften, wie zum Beispiel der Grenzfrequenz und Gatekapazität, auf die Geschwindigkeit und die Effizienz der Basisschaltungen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Gatelänge deutlich zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit beiträgt, während ein reduzierter Widerstand im eingeschalteten Zustand des GaN-Transistors die statischen Verluste signifikant verringert. Neben diesen Ergebnissen wurde die Beschränkung auf eine Umgebungsimpedanz von 50 Ohm als ein wichtiger geschwindigkeitslimitierender Faktor identifiziert. Durch die hohe Impedanz des externen Treibers kann die Eingangsgatekapazität der GaN-Schaltung nur langsam geladen und entladen werden, wodurch die Schaltgeschwindigkeit begrenzt wird.
Verbesserte Schaltungs- und Transistordesigns ermöglichten letztendlich die Entwicklung einer schnellen Verstärkerbasisschaltung mit 1.2 mm Gateweite in der Ausgangsstufe. Diese kann digitale Signale bis zu einer Frequenz von 2 GHz mit einer hohen Draineffizienz > 65% schalten, wobei eine digitalen Ausgangsleistung von 5 W erreicht wurde. Durch eine angepasste Gateweite konnte eine hohe Ausgangsleistung von 9.7 W mit einer Gesamteffizienz von über 80% für eine Frequenz von 0.45 GHz erreicht werden.
Weiterhin wurden GaN-basierte selbstsperrende Transistoren mit sehr hoher Steilheit mittels einer so genannten gate-recess Technologie entwickelt. Diese ermöglichen eine zusätzliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit sowie eine Vereinfachung der Schaltungskomplexität. Es wurden Transistoren mit einer Schwellspannung von +1 V und mit einer maximalen Steilheit bis zu 600 mS/mm realisiert, deren Ausgangsstrom und Ausgangsleistung vergleichbar mit denen herkömmlicher selbstleitender Transistoren sind. Durch ihre hohe Steilheit reduziert sich der benötigte Eingangsspannungshub zum An- und Ausschalten des Transistors. Damit wird die Kompatibilität von GaN-basierten Schaltverstärkerschaltungen zu externen digitalen Treiber- und Modulatorschaltungen, die in Siliziumtechnologie hergestellt werden, erheblich verbessert und damit die Realisierbarkeit der digitalen Basisstation vereinfacht.
Eine weitere innovative Entwicklung ist der Austausch einer hybriden Diode im Modulaufbau des Class-S Verstärker durch eine integrierten Lösung on-chip, dem GaN Transistor mit integrierter seriell geschalteter Diode. Dadurch werden parasitäre Schaltverluste reduziert, die Schaltungskomplexität verringert und die maximale Schaltfrequenz und Effizienz des gesamten Verstärkermoduls erhöht. Eine differentielle Basisschaltung mit diesen Transistoren und zusätzlichen integrierten Filterelementen ermöglichte dem Projektpartner EADS Deutschland die Realisierung des weltweit ersten Class-S Verstärkermoduls bei 2 GHz.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-203617.html