CC BY
96УДК 621. 382.323
DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-83-88
Влияние емкостей HEMT-транзистора на основные параметры усилителей СВЧ
Мьо Мин Тхант, В.А. Романюк, Н.В. Гуминов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия v. a. romanjuk@gmail. com
Исследование влияния межэлектродных емкостей HEMT-транзистора на частоту, коэффициент усиления мощности и КПД усилителя проводится с целью оптимизации его конструкции. Для количественной оценки увеличения максимальной частоты при уменьшении емкостей транзистора в работе проведено моделирование электрических схем усилителей на HEMT-транзисторе с использованием модели EEHEMT в программе Microwave Office. HEMT-транзистор выполнен на основе GaN с длиной затвора 0,25 мкм. Максимальная частота усилителя равна 59 ГГц. Показано, что уменьшение входной и проходной емкостей HEMT-транзистора на 20 % приводит к возрастанию максимальной частоты усилителя до 90 ГГц. Моделирование, проведенное на частоте 4 ГГц, продемонстрировало снижение входной мощности, поступающей на транзистор, примерно на 2 дБ. Это приводит к увеличению коэффициента усиления и КПД добавленной мощности усилителя. Установлено, что удаление диэлектрического слоя Si3N4 между металлом затвора и слоем AlGaN приводит к уменьшению относительной диэлектрической проницаемости пространства между затвором и каналом транзистора с соответствующим уменьшением емкостей HEMT-транзистора с Т-образным затвором.
Ключевые слова: усилители СВЧ; HEMT-транзисторы на основе GaN
Для цитирования: Мьо Мин Тхант, Романюк В.А., Гуминов Н.В. Влияние емкостей HEMT-транзистора на основные параметры усилителей СВЧ // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 83-88. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-83-88
Effect of HEMPT Capacitances on Microwave Amplifier Main Parameters
MyoMin Thant, V.A. Romanyuk, N.V. Guminov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia v.a.romanjuk@gmail.com
Abstract: The effect of transistor capacitance on the frequency, gain and amplifier efficiency has been studied. It is known that the maximum frequency of an amplifier on HEMT decreases with a decrease in the gate-source and gate-drain capacitance. The effect of the transistor inter-electrode capacitances on frequency, the power gain and the efficiency has been estimated. In the work the amplifiers circuits simulation based on HEMT, manufactured at MIET, has been performed. The transistor has been made on the basis of GaN with 0.25 цт gate, the EEHEMT model has been used. The amplifier maximum frequency was 59 GHz. A 20% decrease in the gate - source and gate - drain
© Мьо Мин Тхант, В.А. Романюк, Н.В. Гуминов, 2020
capacitances increase the maximum frequency up to 90 GHz. The transistor capacitance affects the power consumed from the input source. This is due to the direct power passage from the input source to the amplifier output. The simulations, carried out at the 4 GHz frequency, have shown a decrease in the input power, supplied to the transistor, while reducing the input and passage capacitances. With a 20% decrease in capacitance the input power has decreased by ~ 2dB, which leads to an increase amplifier Pgain and PAE. A method for reducing the capacitances of a HEMT with a T-gate has been proposed. After manufacturing the transistor the Si3N4 dielectric layer between the gate metal and the AlGaN layer should be deleted. Removing the dielectric layer leads to a decrease in the relative permittivity of the space between the gate and the transistor channel with a corresponding decrease in capacitances. Since the capacitances of the transistor structure are an essential part of the total capacitances (up to 40%), this method leads to the decrease in the inter-electrode capacitances, which makes it possible to implement the simulation conclusions. The result of the paper can be useful for optimizing the HEMT design with T-gate.
Keywords: HEMT; GaN; amplifiers
For citation: Myo Min Thant, Romanyuk V.A., Guminov N.V. Effect of HEMPT capacitances on microwave amplifier main parameters. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 1, pp. 83-88. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-83-88
При разработке новых монолитных микроволновых интегральных схем рассматриваются возможности улучшения их основных параметров. Для оценки влияния межэлектродных емкостей транзистора на основные параметры усилителей мощности СВЧ проведено компьютерное моделирование электрических схем усилителей. Основой усилителей являются интегральные HEMT-транзисторы на базе GaN, изготовленные в МИЭТ.
Для определения максимальной частоты усиления f ах схема усилителя, работающего в линейном режиме, настраивается на наибольшую частоту, при которой коэффициент усиления мощности имеет приемлемое для практики значение (Кр > 6-7 дБ). Выражение для максимальной частоты усилителя имеет вид [1]:
f = ■ ft -, (1)
J max ' V /
V
—
(Rg + R + R,)(+ Cgd) Rg ft
где f - предельная частота усиления по току:
ft =
2п(^ + C (Rs + Rd ) v g
(2)
R , Rs, Rd - сопротивление затвора, истока и стока соответственно; R - внутреннее сопротивление затвор - исток; C d, C - емкость затвор - сток и затвор - исток соответственно; — - проводимость нагрузки; / - длина затвора; ve - дрейфовая скорость электронов.
Как следует из выражений (1) и (2), максимальная частота fax может быть увеличена путем уменьшения входной C и проходной C d емкостей HEMT-транзистора. В программе Microwave Office промоделированы электрические схемы линейных усилителей, настроенных на наибольшую частоту. При C = 0,2156 пФ, C d = 0,1216 пФ модели EEHEMT максимальная
частота равна 59 ГГц. С целью увеличения максимальной частоты и других основных параметров усилителя составлена электрическая схема на HEMT-транзисторе с уменьшенными на 20 % входной и проходной емкостями (рис.1).
-1
Рис.1. Электрическая схема усилителя с уменьшенными емкостями транзистора, рассчитанная
на максимальную частоту усиления Fig.1. Amplifier circuitry with reduced transistor capacities, designed for maximum gain frequency
Амплитудно -частотная характеристика усилителя при уменьшенных емкостях показана на рис.2. Как следует из рисунка, уменьшение емкостей НЕМТ-транзистора увеличивает максимальную частоту примерно на 30 ГГц.
Воспользовавшись простейшей эквивалентной схемой транзистора, состоящей из входной С , проходной С ^, выходной
емкостей и генератора выходного тока [2], несложно получить выражение для мощности, поступающей из входного источника к транзистору:
Р., « 0,5 Ц
КР, дБ
90,5 Ггц 6.2 дБ
/ \
88
89
90
91
92 / ГГц
Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя на HEMT-транзисторе Fig.2. The amplifier frequency response
2 C° СgCdgCds
(3)
где f/BX - амплитуда входного напряжения усилителя; га - круговая частота; т - среднее время пролета электронов от истока к стоку.
Поскольку в простейшей схеме транзистора не учтены резистивные элементы, определяющие потери мощности, то входная мощность, рассчитываемая по формуле (3), - это мощность, проходящая на выход транзистора без усиления. Входная мощность может быть больше мощности, определяемой формулой (3), если проводимость транзистора имеет не только действительную часть проводимости Gd, но и мнимую часть емкостного характера. Следует отметить, что входная мощность проходит на выход транзистора только в случае, когда мнимая часть выходной проводимости имеет емкостной характер. Если мнимая часть проводимости индуктивна и компенсирует проводимость выходной емкости, то возможно появление положительной обратной связи с опасностью самовозбуждения усилителя.
Как видно из (3), входная мощность может быть снижена путем уменьшения емкостей транзистора. Поскольку выражение (3) приближенное, для количественной оценки мощности, поступающей на вход транзистора при изменении межэлектродных емкостей, проведено моделирование в программе Microwave Office на частоте 4 ГГц в линейном усилителе с использованием HEMT-транзисторов, изготовленных на основе GaN [3]. В процессе исследования изменялись емкости транзистора и рассчитывалась мощность, поступающая на вход транзистора.
Порядок измерений следующий:
1. В линейном режиме программы рассчитывается коэффициент усиления мощности [4]: Кр = Рвьк/Рх , где Рвых - мощность выходных колебаний.
2. В нелинейном режиме работы программы измеряется выходная мощность первой гармоники P1.
3. Рассчитывается входная мощность: Рвх = Р — Ор.
Результаты расчетов при уменьшении емкостей HEMT-транзистора на 20 % показаны в таблице.
Зависимость входной мощности от емкостей HEMT-транзистора The dependence of the input power from capacitance of the HEMT
Входная емкость Проходная емкость Мощность, поступающая на
О^пФ СяЛ, пФ вход транзистора Рвх, дБм
0,2156 0,1216 19,3
0,17 0,1 21,1
Исток Затвор Сток
Si3N4
н-GaN
A1N
л-AlGaN
-----------и-GaN-----------
Подложка
a
Исток Затвор Сток
1 7
н-GaN
A1N
л-GaN
я-AlGaN
— п -GaN
Подложка
б
Рис.3. Структура HEMT-транзистора: а - исходная; б - после удаления диэлектрика Fig.3. HEMT structure: a - initial structure; b - after removal of the dielectric
С уменьшением емкостей уменьшается мощность, потребляемая транзистором. При этом увеличиваются коэффициент усиления мощности Kp = PbK/Px и КПД добавленной мощности PAE (Power Added Efficiency):
P - P
PAE _ вых_в^
= P ' 1 0
где P0 - мощность, потребляемая транзистором из источника питания.
Межэлектродные емкости HEMT-транзистора состоят из внутренних частей, определяемых зарядом электронов, поступающих из области AlGaN в канал, и внешних частей, зависящих от конструкции транзистора [5]. Изменение внутренних емкостей связано с изменением активных свойств транзистора, поэтому для уменьшения входной и проходной емкостей целесообразно попытаться изменить его конструкцию. Структура исследуемого HEMT-транзистора с Г-образным затвором приведена на рис.3,а. Основные размеры транзистора: длина затвора 0,25 мкм, ширина затвора 200 мкм (2 по 100 мкм).
Внешние емкости транзистора (конденсаторы) созданы пространством между боковыми частями затвора и каналом. В исходной конструкции транзистора конденсаторы заполнены диэлектриком Si3N4 с относительной диэлектрической проницаемостью s « 7 . Полностью удалив диэлектрик после изготовления транзистора, получим конденсаторы с воздушным заполнением (s = 1) с соответствующим уменьшением емкостей. Возможно также частичное удаление диэлектрика (рис.3,б). В работе [6] указано, что внешние емкости могут составлять более 40 % полных емкостей. Таким образом, данный способ дает возможность увеличить частоту, коэффициент усиления и КПД микросхем на HEMT-транзисторах с Г-образным затвором.
Результаты исследования показали следующее. При уменьшении межэлектродных емкостей HEMT-транзистора на 20 % увеличивается частота усилителей мощности примерно на 30 ГГц и уменьшается входная мощность примерно на 2 дБм с соответствующим возрастанием коэффициента усиления и КПД добавленной мощности. С целью уменьшения емкостей HEMT-транзистора с Г-образным затвором удален диэлектрический слой Si3N4. В результате уменьшается диэлектрическая проницаемость внешних частей межэлектродных емкостей. Результаты работы полезны для оптимизации конструкции HEMT-транзисторов.
Литература
1. AlGaN/GaN-СВЧ HEMT-транзисторы с пробивным напряжением выше 100 В и с предельной частотой усиления по мощности f max до 100 ГГц / В.Г. Мокеров, А.Л. Кузнецов, Ю.В. Федоров и др. // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. Вып. 4. С. 561-567.
2. Extraction method for parasitic capacitances and inductances of HEMT models / HengShuang Zhang, PeiJun Ma, YangLu et al // Solid-State Electronics. 2017. Vol. 129. P.108-113.
3. Гуминов Н.В., Мьо Мин Тхант, Романюк В.А., Шомахмадов Д.П. Сравнение характеристик GaAs и GaN HEMT-транзисторов // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. №1. С. 43-50.
4. Бахвалова С.А., Романюк В.А Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в Microwave Office. М.: СОЛОН - Пресс, 2016. 150 с.
5. Analytical modeling of capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components / Aixi Zhang, Lining Zhang, Zhikai Tang et al // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. Vol. 61. No. 3. P. 755-761.
6. Effect of fringing capacitances on the RF performance of GaN HEMTs with T-gates / Bo Song, Berardi Sensale-Rodriguez, Jia Guo et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. Vol. 61. No. 3. P. 747-754.
Поступило в редакцию 24.06.2019 г.; после доработки 04.10.2019 г.; принято к публикации 19.11.2019 г.
Мьо Мин Тхант - аспирант Института микроприборов и систем управления им. Л.Н. Пре-снухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), myominthant5129@gmail.com
Романюк Виталий Александрович - кандидат технических наук, доцент Института микроприборов и систем управления им. Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), v.a.romanjuk@gmail.com
Гуминов Николай Владимирович - старший преподаватель кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), gummi.qdn@gmail.com
References
1. Makarov V.G., Kuznetsov A.L., Fedorov Yu.V. et al. AlGaN / GaN-microwave HEMT transistors with breakdown voltage above 100 V and with maximum frequency of fmax power gain up to 100 GHz. Fizika I tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 2009, vol. 43, no. 4, pp. 561-567. (in Russian).
2. HengShuang Zhang, PeiJun Ma, Yang Lu et al. Extraction method for parasitic capacitances and inductances of HEMT models. Solid-State Electronics, 2017, vol. 129, pp. 108-113.
3. Guminov N.V., Myo Min tan, Romanyuk V.A. Shomakhmadov D.P. Comparison of characteristics and parameters of GaAs and GaN HEMTs. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 43-54. (in Russian).
4. Bakhvalova S.A., Romanyuk V.A. Modeling and design of radio engineering devices in microwave office. Moscow, SOLON-Press Publ., 2016, 150 p. (in Russian).
5. Aixi Zhang, Lining Zhang, Zhikai Tang et al. Analytical Modeling of Capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components. IEEE Transactions on Electron Devices, 2014, vol. 61, no. 3, pp. 755-761.
6. Bo Song, Berardi Sensale-Rodriguez, Jia Guo et al. Effect of fringing capacitances on the RF performance of GaN HEMTs with T-gates. IEEE Transactions on Electron Devices, 2014, vol. 61, no. 3, pp. 747-754.
Received 24.06.2019; Revised 04.10.2019; Accepted 19.11.2019.
Information about the authors:
Myo Min Thant - PhD student of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), myominthant5129@gmail.com
Vitaly A. Romanyuk - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), v.a.romanjuk@gmail.com
Nikolay V. Guminov - Senior Lecturer of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), gummi.qdn@gmail.com
/-\
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «УП Урал-Пресс»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
V_)
