FBH-Forschung: 09.10.2012

Optimierte Multifinger-Transistoren für Millimeterwellen-Leistungsverstärker

Transistorvariationen in InP-TS-Technologie
Transistorvariationen in InP-TS-Technologie (oberes Pad ist mit Basis, unteres mit Kollektor verbunden, Emitter liegt auf Masse)
Transitfrequenz für fT und fmax
Transitfrequenz für Kurzschluss-Stromverstärkung fT und maximale Oszillationsfrequenz fmax für Einzel- und Multifinger-InP-Transistoren. Emitterfläche Transistortyp I: 0,8 x 5 μm2, Typ II: 0,9 x 10 μm2

Die Ausgangsleistung von Verstärkern im Millimeterwellen-Bereich zu erhöhen ist ein kompliziertes Unterfangen, da die Anzahl der Freiheitsgrade sehr begrenzt ist. Bei Bipolartransistoren, in diesem Fall i.a. Hetero-Bipolartransistoren (HBTs), entscheidet die Emitterfläche über die verfügbare Ausgangsleistung. Da genügend Verstärkung benötigt wird und diese für eine gegebene Technologie mit der Länge des Emitters sinkt, ist die Fingerlänge und damit die Ausgangsleistung pro Finger limitiert. Eine höhere Leistung einer Schaltung kann deshalb nur durch Erhöhung der beteiligten Anzahl an Transistorfingern realisiert werden – entweder durch Nutzung von Multifinger-Transistoren oder durch Kombination mehrerer Transistoren innerhalb der Schaltung, am besten durch beides. Die Kombination mehrere Transistoren führt zu Verlusten in den Combiner-Netzwerken. Die Multi-Finger-Lösung vermeidet das, führt aber wegen der nichtangepassten Parallelisierung zu parasitären Effekten, die die Frequenzgrenze und damit die Verstärkung gegenüber dem 1-Finger-Fall reduzieren.

Im Rahmen der diesbezüglichen Arbeiten im Bereich der InP-HBT-Transferred-Substrate-Technologie am FBH wurden 4-, 6- und 8-Finger-Transistoren entwickelt, die Transitfrequenzen fmax von 323 GHz, 283 GHz, bzw. 256 GHz aufweisen (1- und 2-Finger-Transistoren erreichen ungefähr 375 GHz, die Emitter-Finger-Größe beträgt in allen Fällen 0,8 x 5 μm2). Diese Multi-Finger-HBTs sind geeignet für Verstärkeranwendungen im mm-Wellen-Bereich um 100 GHz. Das Bild oben zeigt die Transitfrequenz fT der Kurzschluss-Stromverstärkung und die maximale Oszillations-Frequenz fmax für Transistoren mit verschiedener Fingeranzahl. Die Daten beziehen sich auf zwei verschiedene Transistortypen (Typ I und II) mit einer Emitterfläche pro Finger von 0,8 x 5 μm2 bzw. 0,9 x 10 μm2. Als klaren Trend beobachtet man die Abnahme der Grenzfrequenzen mit zunehmender Fingerzahl. Die Unterschiede in den jeweiligen Gruppen zeigen aber, dass durch geeignete Wahl der Transistorgeometrie genügend Optimierungspotenzial besteht.

Leistungsmessungen an (auf 50 Ohm angepassten) Verstärkern haben ergeben, dass man für einen 2-Finger-Transistor 14-15 dBm@77 GHz erreichen kann, was einer Leistungsdichte von 3,5 mW/μm2 entspricht. Das bedeutet: Für einen 8-Finger-Transistor sind im W-Band fast 20 dBm erreichbar, bei höheren Frequenzen muss die Fingeranzahl reduziert bzw. die Emitterbreite herunterskaliert werden.

Diese Arbeiten werden unterstützt durch die DLR (Raumfahrt-Agentur, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) unter der Kennziffer 50 RA 1103.

Publikation:

T. Jensen, T. Kraemer, T. Al-Sawaf, V. Krozer, W. Heinrich and G. Tränkle , "Multifinger InP HBT’s in Transferred-Substrate Technology for 100 GHz Power Amplifiers", to be published at European Microwave Conference, Amsterdam, October 2012.