德国弗劳恩霍夫研究所大幅提升GaN高频晶体管在1-2GHz的输出功率,100V,功率附加效率77.3%

2020-04-02 来源:大国重器高端电子元器件 我要评论(0) 字号:

编者按:今天的第二篇是Yole公司和ResearchAndMarkets公司分别给出的关于功率器件和射频半导体器件的市场预测,GaN在两个领域都将呈现快速发展。欢迎查阅。

德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF的研究人员大幅提升了氮化镓(GaN)基高频晶体管在1-2 GHz频率范围内的输出功率:器件的工作电压从50V翻倍至100V,功率附加效率(PAE)达到77.3%。

研究成果

晶体管的功率密度是在GHz范围内高功率应用的最重要指标之一,不仅决定了放大器模块的大小,还在更大范围上决定了系统的复杂性,而两者决定了制造成本和所需的资源。有几种增加晶体管功率密度的方法。IAF的研究人员选择了增加工作电压的方法:通过纵向和横向缩放晶体管设计,他们在欧洲首次成功实现了适用于100V工作电压应用的高频GaN晶体管,显著提高GHz频率范围内的功率密度。

实验室测量结果

实验室测量表明,在1.0GHz频率下,功率密度超过17W/mm,PAE为77.3%。这是有史以来公开报道在此频率范围、100V电压工作达到的最高功率附加效率。测试还表明,该技术在125V电压的功率密度超过20W/mm。研究人员于2019年12月在旧金山举行的国际电子设备会议(IEDM)上首次展示了他们的结果。

技术优势

两倍的电压可获得更高的功率。该技术的主要开发者,FraunhoferIAF的Sebastian Krause解释说:“将工作电压从50V提升至100V,可以实现更高的功率密度,意味着系统可以在相同体积内提供比市售50V或65V技术更大的功率。”。一方面,这使具有相同尺寸的系统具有更高的输出功率。另一方面,可以创建更紧凑、更轻便的系统来提供相同的功率。Krause说:“通过将工作电压加倍至100V,对于给定功率,晶体管显示出四倍高的输出阻抗。”这可实现更小和损耗更少的匹配网络,进而使得整个系统的能源效率更高。

应用--工业高功率系统

Krause解释说:“我们发展的长期目标是在10 GHz频率下运行。”这将使基于弗劳恩霍夫研究所成为此类100V GaN基器件的第一来源。这项技术可实现具有更高功率的高效放大器,满足等离子体产生、工业加热,通信和雷达技术领域应用,对于高性能应用有重要意义,如粒子加速器、工业微波加热器、移动电话放大器、脉冲和连续波雷达、等离子发生器的放大器。这些系统需要高输出功率,同时又要保持较小的体积,这正是100 V技术可以提供的功率。例如,粒子加速器在研究、医疗技术和工业中起着重要作用。高频等离子发生器用于半导体基芯片、数据存储介质或太阳能电池生产中的涂层工艺。

应用--功率半导体替代真空组件

另一个主要的工业应用领域是用于微波加热的发电机。Krause说:“在该领域,工业通常在较高的频率下工作,但目前主要使用真空组件,如磁控管或速调管。我们正在努力提供基于半导体的替代产品。半导体的体积更小,重量更轻,支持相控阵等。”

长期以来,基于电子管的组件(如行波管)一直主导着具有高输出功率的电子系统。但是,发展正转向功率半导体。Fraunhofer IAF的科学家认为,基于GaN的100V技术可以为提高微波发生器输出功率提供有效的替代方案。

信息来源

https://compoundsemiconductor.net/article/110810/High-frequency_GaN_Transistors_Achieve_Record_Efficiency

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