Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF zijn erin geslaagd het uitgangsvermogen van hun op GaN gebaseerde hoogfrequente transistors voor het frequentiebereik van 1-2 GHz aanzienlijk te verhogen:ze waren in staat om de bedrijfsspanning van de apparaten van 50 volt tot 100 volt, waardoor een extra vermogen van 77,3 procent wordt bereikt. Deze technologie maakt de ontwikkeling mogelijk van zeer efficiënte versterkers met een nog hoger vermogen, zoals vereist voor toepassingen op het gebied van plasmageneratie, industriële verwarming, communicatie- en radartechnologieën.

De vermogensdichtheid van transistors is een van de belangrijkste criteria voor hun gebruik in toepassingen met hoog vermogen in het GHz-bereik. Het bepaalt de grootte van versterkermodules en dus grotendeels de systeemcomplexiteit - die beide bepalend zijn voor de fabricagekosten en het vereiste gebruik van middelen.

Er zijn verschillende manieren om de vermogensdichtheid van transistors te vergroten. Onderzoekers van Fraunhofer IAF hebben het pad gekozen om de bedrijfsspanning te verhogen:door het transistorontwerp verticaal en lateraal te schalen, het is ze gelukt, voor het eerst in Europa, bij het realiseren van hoogfrequente transistoren geschikt voor toepassingen bij een bedrijfsspanning van 100 volt. Deze apparaten op basis van de halfgeleider galliumnitride (GaN) worden gekenmerkt door een aanzienlijk verhoogde vermogensdichtheid bij frequenties in het GHz-bereik.

Laboratoriummetingen tonen recordefficiëntie

De prestaties van deze nieuw ontwikkelde apparaten voor het frequentiebereik van 1-2 GHz zijn al in het laboratorium aangetoond:metingen toonden een vermogensdichtheid van meer dan 17 W/mm en een energietoegevoegde efficiëntie (PAE) van 77,3 procent bij een frequentie van 1,0 GHz. Dit is het hoogste rendement dat ooit is bereikt voor 100 V-bedrijf in dit frequentiebereik. Tests hebben zelfs aangetoond dat deze technologie een vermogensdichtheid levert van meer dan 20 W/mm bij 125 V. De onderzoekers presenteerden hun resultaten voor het eerst op de International Electron Devices Meeting (IEDM) in San Francisco in december 2019.

Twee keer de spanning voor een veel hoger vermogen

"Het verhogen van de bedrijfsspanning van 50 naar 100 volt maakt hogere vermogensdichtheden mogelijk. Dit betekent dat een systeem meer vermogen kan leveren op hetzelfde gebied dan mogelijk is met commercieel beschikbare 50 V- of 65 V-technologieën, " legt Sebastian Krause van Fraunhofer IAF uit, een van de belangrijkste ontwikkelaars van de technologie.

Aan de ene kant, dit maakt systemen van dezelfde grootte met een hoger uitgangsvermogen mogelijk. Anderzijds, het is mogelijk om compactere en lichtere systemen te maken die hetzelfde vermogen leveren, omdat er minder chipoppervlak nodig is om het gewenste vermogensniveau te bereiken:"Door de bedrijfsspanning te verdubbelen tot 100V, de transistor vertoont een vier keer hogere uitgangsimpedantie voor een bepaald vermogen, ", zegt Krause. Dit maakt de implementatie van kleinere en dus minder verliesgevende matching-netwerken mogelijk, Die op zijn beurt, resulteert in een hogere energie-efficiëntie van het totale systeem.

Gebruik in industriële high-power systemen

"Het langetermijndoel van onze ontwikkeling is werking via 10GHz, ", legt Krause uit. Dit zou het in Freiburg gevestigde Fraunhofer Instituut de eerste bron maken voor dergelijke 100 V GaN-gebaseerde apparaten. Dit is van bijzonder belang voor hoogwaardige toepassingen zoals deeltjesversnellers, industriële microgolfverwarmers, versterkers voor mobiele telefoons, puls- en continue-golfradar en versterkers voor plasmageneratoren. Deze systemen vereisen een hoog uitgangsvermogen met behoud van een bij voorkeur kleine footprint - precies wat de 100-V-technologie kan leveren.

Deeltjesversnellers spelen een belangrijke rol in onderzoek, medische technologie en industrie. Plasmageneratoren in het hoogfrequente bereik worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor coatingprocessen bij de productie van op halfgeleiders gebaseerde chips, gegevensopslagmedia of zonnecellen.

Vermogenshalfgeleiders vervangen vacuümcomponenten

Een ander groot industrieel toepassingsgebied zijn stroomgeneratoren voor microgolfverwarming. "In dit veld, industrie werkt meestal op hogere frequenties, maar vacuümcomponenten, bijv. magnetrons of klystrons, worden tot op heden voornamelijk gebruikt. Hier, we werken aan een op halfgeleiders gebaseerd alternatief. Halfgeleiders zijn veel compacter en lichter, waarmee arrangementen zoals phased arrays, ' zegt Krause.

Voor een lange tijd, op buizen gebaseerde componenten (bijv. lopende golfbuizen) hebben elektronische systemen met een hoog uitgangsvermogen gedomineerd. Echter, ontwikkeling beweegt zich in de richting van vermogenshalfgeleiders. FraunhoferIAF-wetenschappers zijn van mening dat de op GaN gebaseerde 100 V-technologie een efficiënt alternatief kan bieden voor het vergroten van het vermogen van microgolfgeneratoren.