Forskare vid Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har lyckats avsevärt öka uteffekten från sina GaN-baserade högfrekventa transistorer för frekvensområdet 1–2 GHz:De kunde fördubbla enheternas driftspänning från 50 volt till 100 volt, därmed uppnå en effekttillförd verkningsgrad på 77,3 procent. Denna teknik möjliggör utveckling av högeffektiva förstärkare med ännu högre effekt, som krävs för tillämpningar inom plasmagenerering, industriell uppvärmning, kommunikations- och radarteknik.

Effekttätheten hos transistorer är ett av de viktigaste kriterierna för deras användning i högeffektapplikationer i GHz-området. Det bestämmer storleken på förstärkarmodulerna och därmed till stor del systemkomplexiteten – båda är avgörande för tillverkningskostnaderna och resursanvändningen.

Det finns flera sätt att öka effekttätheten hos transistorer. Forskare vid Fraunhofer IAF har valt vägen att öka driftspänningen:Genom att skala transistordesignen vertikalt och lateralt, de har lyckats, för första gången i Europa, att realisera högfrekventa transistorer som är lämpliga för applikationer med en driftspänning på 100 volt. Dessa enheter baserade på halvledaren galliumnitrid (GaN) kännetecknas av avsevärt ökad effekttäthet vid frekvenser i GHz-området.

Laboratoriemätningar visar på rekordeffektivitet

Prestandan hos dessa nyutvecklade enheter för frekvensområdet 1–2 GHz har redan demonstrerats i laboratoriet:Mätningar visade en effekttäthet på mer än 17 W/mm och en effekttillförsel (PAE) på 77,3 procent vid en frekvens av 1,0 GHz. Detta är den högsta effekttillförda effektiviteten som uppnåtts för 100 V-drift i detta frekvensområde som någonsin rapporterats. Tester har till och med visat att den här tekniken levererar en effekttäthet på över 20 W/mm vid 125 V. Forskarna presenterade sina resultat vid International Electron Devices Meeting (IEDM) i San Francisco för första gången i december 2019.

Dubbla spänningen för mycket högre effekt

"Att öka driftspänningen från 50 till 100 volt möjliggör högre effekttätheter. Detta innebär att ett system kan leverera mer effekt på samma yta än vad som är möjligt med kommersiellt tillgängliga 50 V eller 65 V teknologier, " förklarar Sebastian Krause från Fraunhofer IAF, en av de främsta utvecklarna av tekniken.

Å ena sidan, detta möjliggör system av samma storlek med högre uteffekt. Å andra sidan, det är möjligt att skapa mer kompakta och lättare system som levererar samma kraft, eftersom mindre chiparea krävs för att uppnå önskad effektnivå:"Genom att dubbla driftspänningen till 100V, transistorn uppvisar en fyra gånger högre utgångsimpedans för en given effekt, " säger Krause. Detta möjliggör implementering av mindre och därför mindre förlustbringande matchande nätverk, vilket i sin tur, resulterar i högre energieffektivitet i det övergripande systemet.

Användning i industriella högeffektsystem

"Det långsiktiga målet med vår utveckling är drift via 10GHz, " förklarar Krause. Detta skulle göra Freiburg-baserade Fraunhofer Institute till den första källan för sådana 100 V GaN-baserade enheter. Detta är av särskilt intresse för högpresterande tillämpningar som partikelacceleratorer, industriella mikrovågsvärmare, mobiltelefonförstärkare, puls- och kontinuerligvågsradar och förstärkare för plasmageneratorer. Dessa system kräver höga uteffektnivåer samtidigt som de behåller ett helst litet fotavtryck – precis vad 100-V-tekniken kan leverera.

Partikelacceleratorer spelar en viktig roll i forskning, medicinteknik och industri. Plasmageneratorer i högfrekvensområdet används, till exempel, för beläggningsprocesser vid tillverkning av halvledarbaserade chips, datalagringsmedia eller solceller.

Krafthalvledare ersätter vakuumkomponenter

Ett annat stort industriellt användningsområde är kraftgeneratorer för mikrovågsuppvärmning. "Inom detta område, industrin arbetar vanligtvis med högre frekvenser, men vakuumkomponenter, t.ex. magnetroner eller klystroner, används huvudsakligen hittills. Här, vi arbetar med att tillhandahålla ett halvledarbaserat alternativ. Halvledare är mycket mer kompakta och lättare, som möjliggör arrangemang som fasstyrda arrayer, säger Krause.

Under en lång tid, rörbaserade komponenter (t.ex. vandringsvågrör) har dominerat elektroniska system med hög uteffekt. Dock, utvecklingen går mot krafthalvledare. FraunhoferIAF-forskare tror att den GaN-baserade 100 V-tekniken kan ge ett effektivt alternativ för att öka effekten hos mikrovågsgeneratorer.