FBH-Forschung: 11.04.2012

Effiziente Mikrowellen-Leistungstransistoren für den L- und S-Band Bereich

Montierter GaN Leistungstransistor der 100-W-Klasse
Abb. 1: Montierter GaN-Leistungstransistor der 100-W-Klasse für den L- und S-Bandbereich
Querschnitt Source-Feldplattenstruktur
Abb. 2: Focused-Ion-Beam (FIB) Querschnitt durch eine Source-Feldplattenstruktur
Ausgangsleistung und Wirkungsgrad Transistor
Abb. 3: Eigenschaften von Mikrowellen-Leistungstransistoren der 50-Watt-Klasse in Abhängigkeit der Betriebsspannungen (28 V, 40 V und 50 V). a) Skalierung der Ausgangsleistung mit zunehmender Betriebsspannung. b) Verlauf des Wirkungsgrads in Abhängigkeit von der Betriebsspannung.

Hocheffiziente GaN basierte Mikrowellen-Leistungstransistoren finden vermehrt Einsatz in modernen Kommunikations- und Radarsystemen. Vielfach sind komplexe Mikrowellensysteme erst dann realisierbar, wenn kompakte, hocheffiziente Bauelemente auf kleinen Raum integriert werden können. Das FBH entwickelt in Kooperation mit seiner Spin-off Firma Berlin Microwave Technologies (BeMiTec) im Rahmen des Wachstumskern „Berlin WideBaSe“ hocheffiziente Leistungstransistoren für Leistungen von über 100 W bei Frequenzen zwischen 1 und 3 GHz. Derart hohe Leistungen erfordern gut aufeinander abgestimmte Optimierungen im Bereich der Materialtechnologie (Epitaxie) der Bauelementprozessierung, des Bauelementdesigns (Layout) und nicht zuletzt der Montagetechnik in ein geeignetes Gehäuse. Diese Arbeiten führten jetzt zu Bauelementen, die hohe Leistungsdichten und Absolutleistungen mit einem hohen Wirkungsgrad vereinen. Die Transistoren sind, aufgebaut in Mikrowellengehäusen entsprechend Bild 1, für die Implementierung in Mikrowellensystemen verfügbar.

Ein wesentlicher Schritt in Richtung von leistungsstarken und gleichzeitig effizienten Transistoren war die Optimierung der Feldplattentechnologie und die Einführung von Ballastwiderstanden zwischen einzelnen Transistorzellen zur Vermeidung von parasitären Schwingungen der montierten Leistungstransistoren. Feldplatten (siehe Bild 2) haben die Aufgabe, die Verteilung und die Intensität des elektrischen Felds im Inneren der Transistoren so zu beeinflussen, dass unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen gewisse kritische Grenzwerte stets unterschritten werden. Nur dann ist es möglich, die Betriebsspannung der Leistungstransistoren deutlich anzuheben (beispielsweise auf 50 V) und eine lineare Skalierung der Ausgangsleistung mit zunehmender Betriebsspannung wie in Bild 3a) dargestellt zu erreichen. Der gleichzeitig erreichte hohe Wirkungsgrad von nahezu 70% (Bild 3b) macht diese Bauelemente attraktiv für den Einsatz in Verstärkersystemen bei höheren Betriebsspannungen (>40 V).  Die höhere Betriebsspannung wiederum führt zu einem höheren Impedanzniveau bei der für Leistungsanpassung optimalen Eingangs und Ausgangsimpedanz und ermöglicht somit entweder sehr breitbandige Verstärkersysteme oder, durch Kombination von mehreren Mikrowellen-Leistungstransistoren, sehr leistungsstarke Mikrowellenverstärker mit Ausgangsleitungen von deutlich über 200 W.