Højfrekvente transistorer opnår rekordeffektivitet ved 100 volt

Forskere ved Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har haft held med at øge udgangseffekten af ​​deres GaN-baserede højfrekvente transistorer markant til frekvensområdet fra 1-2 GHz:De var i stand til at fordoble enhedernes driftsspænding fra 50 volt til 100 volt, dermed opnået en effektforøget effektivitet på 77,3 procent. Denne teknologi tillader udvikling af højeffektive forstærkere med endnu højere effekt, som krævet til applikationer inden for plasmagenerering, industriel opvarmning, kommunikations- og radarteknologier.

Effekttætheden af ​​transistorer er et af de vigtigste kriterier for deres anvendelse i højeffektapplikationer i GHz-området. Det bestemmer størrelsen af ​​forstærkermoduler og dermed i høj grad systemkompleksiteten - som begge er afgørende for fremstillingsomkostningerne og den nødvendige ressourceanvendelse.

Der er flere måder at øge transistorernes effekttæthed på. Forskere ved Fraunhofer IAF har valgt vejen til at øge driftsspændingen:Ved at skalere transistordesignet lodret og lateralt, de er lykkedes, for første gang i Europa, i realisering af højfrekvente transistorer, der er egnede til applikationer ved en driftsspænding på 100 volt. Disse enheder baseret på halvlederen galliumnitrid (GaN) er karakteriseret ved betydeligt øget effekttæthed ved frekvenser i GHz-området.

Laboratoriemålinger viser rekordeffektivitet

Ydeevnen af ​​disse nyudviklede enheder til frekvensområdet 1-2 GHz er allerede blevet demonstreret i laboratoriet:Målinger viste en effekttæthed på mere end 17 W/mm og en effekttilvækst (PAE) på 77,3 procent ved en frekvens på 1,0 GHz. Dette er den højeste effekttilførte effektivitet opnået for 100 V-drift i dette frekvensområde, der nogensinde er rapporteret. Tests har endda vist, at denne teknologi leverer en effekttæthed på over 20 W/mm ved 125 V. Forskerne præsenterede deres resultater ved International Electron Devices Meeting (IEDM) i San Francisco for første gang i december 2019.

Dobbelt spænding for meget højere effekt

"At øge driftsspændingen fra 50 til 100 volt muliggør højere effekttætheder. Det betyder, at et system kan levere mere strøm på det samme område, end hvad der er muligt med kommercielt tilgængelige 50 V eller 65 V teknologier, " forklarer Sebastian Krause fra Fraunhofer IAF, en af ​​de vigtigste udviklere af teknologien.

På den ene side, dette muliggør systemer af samme størrelse med højere udgangseffekt. På den anden side, det er muligt at skabe mere kompakte og lettere systemer, der leverer den samme kraft, da der kræves mindre chipareal for at opnå det ønskede effektniveau:"Ved at fordoble driftsspændingen til 100V, transistoren udviser en fire gange højere udgangsimpedans for en given effekt, " siger Krause. Dette tillader implementering af mindre og derfor mindre tabsgivende matchende netværk, hvilket igen, resulterer i højere energieffektivitet i det samlede system.

Anvendelse i industrielle højeffektsystemer

"Det langsigtede mål med vores udvikling er drift gennem 10GHz, " forklarer Krause. Dette ville gøre det Freiburg-baserede Fraunhofer Institute til den første kilde til sådanne 100 V GaN-baserede enheder. Dette er af særlig interesse for højtydende applikationer såsom partikelacceleratorer, industrielle mikrobølgeovne, mobiltelefon forstærkere, puls- og kontinuerlig-bølge radar og forstærkere til plasmageneratorer. Disse systemer kræver høje udgangseffektniveauer, samtidig med at de bevarer et helst lille fodaftryk – præcis hvad 100-V-teknologien kan levere.

Partikelacceleratorer spiller en vigtig rolle i forskning, medicinsk teknologi og industri. Plasmageneratorer i højfrekvensområdet anvendes, for eksempel, til belægningsprocesser i produktionen af ​​halvlederbaserede chips, datalagringsmedier eller solceller.

Strømhalvledere erstatter vakuumkomponenter

Et andet stort industrielt anvendelsesområde er strømgeneratorer til mikrobølgeopvarmning. "På dette felt industrien arbejder normalt ved højere frekvenser, men vakuumkomponenter, f.eks. magnetroner eller klystroner, er overvejende brugt til dato. Her, vi arbejder på at levere et halvlederbaseret alternativ. Halvledere er meget mere kompakte og mere lette, som muliggør arrangementer såsom fasede arrays, siger Krause.

I lang tid, rørbaserede komponenter (f.eks. vandrende bølgerør) har domineret elektroniske systemer med høj udgangseffekt. Imidlertid, udviklingen går i retning af effekthalvledere. FraunhoferIAF-forskere mener, at den GaN-baserede 100 V-teknologi kan give et effektivt alternativ til at øge effekten af ​​mikrobølgegeneratorer.