高频晶体管在100伏特时达到创纪录的效率

 
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF的研究人员已成功地大幅提高了其GaN基高频晶体管在1-2 GHz频率范围内的输出功率：他们能够将器件的工作电压提高一倍。 50伏到100伏，因此实现了77.3%的功率附加效率。这项技术允许开发具有更高功率的高效放大器，这是等离子体产生，工业加热，通信和雷达技术领域中所需要的。
晶体管的功率密度是在GHz范围内用于高功率应用的最重要标准之一。它决定了放大器模块的尺寸，进而决定了系统的复杂性，这两者都决定了制造成本和所需的资源使用。
有几种增加晶体管功率密度的方法。 Fraunhofer IAF的研究人员选择了提高工作电压的途径：通过垂直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100伏工作电压应用的高频晶体管。这些基于半导体氮化镓(GaN)的设备的特征在于，在GHz范围内的频率下功率密度显着提高。
实验室测量显示出创纪录的效率
这些新开发的设备在1-2 GHz频率范围内的性能已经在实验室中得到了证明：测量结果表明，在频率为1 GHz时，功率密度超过17 W / mm，功率附加效率(PAE)为77.3%。 1.0 GHz。这是有史以来报道的在此频率范围内100 V操作达到的最高功率附加效率。测试甚至表明，该技术在125 V电压下提供的功率密度超过20 W / 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。
两倍的电压可获得更高的功率
Fraunhofer IAF的塞巴斯蒂安·克劳斯(Sebastian Krause)解释说：“将工作电压从50伏特提高到100伏特，可以实现更高的功率密度。这意味着系统可以在相同面积上提供比市售50 V或65 V技术更大的功率。”该技术的主要开发者之一。
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，更轻便的系统以提供相同的功率，因为​​需要较少的芯片面积即可达到所需的功率水平：“通过将工作电压加倍至100V，晶体管的输出将提高四倍。给定功率的阻抗”，克劳斯说。这允许实现更小，因此损耗更少的匹配网络，进而导致整个系统的能源效率更高。
Krause解释说：“我们发展的长期目标是在10GHz频率下运行。”这将使位于弗莱堡的弗劳恩霍夫研究所成为此类100 V GaN基器件的第一来源。这对于高性能应用特别有意义，例如粒子加速器，工业微波加热器，移动电话放大器，脉冲和连续波雷达以及等离子发生器的放大器。这些系统要求高输出功率水平，同时又要保持较小的占位面积，这正是100V技术所能提供的。
粒子加速器在研究，医疗技术和工业中起着重要作用。高频范围内的等离子发生器例如用于半导体基芯片，数据存储介质或太阳能电池生产中的涂层工艺。
功率半导体替代真空组件
另一个大的工业应用领域是用于微波加热的发电机。 “在该领域，工业通常在较高的频率下工作，但迄今为止，主要使用真空组件，例如磁控管或速调管。在这里，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，支持相控阵等布置。” Krause说。
长期以来，基于电子管的组件(例如行波管)一直主导着具有高输出功率的电子系统。但是，发展正在向功率半导体发展。 FraunhoferIAF的科学家们认为，基于GaN的100 V技术可以为提高微波发生器的功率提供有效的替代方案。