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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Mikrowellenelektronik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2012032941029

Titel: Large-Size AlGaN/GaN HEMT Large-Signal Electrothermal Characterization and Modeling for Wireless Digital Communications
Autor(en): Dahmani, Samir
Schlagworte (SWD): MobilfunkAluminiumnitridGalliumnitridHEMT
Klassifikation (DDC): 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 29-Mar-2012
Zusammenfassung: The rapid growth in high data rate communication systems has introduced new high spectral efficient modulation techniques and standards such as LTE-A (long term evolution-advanced) for 4G (4th generation) systems. These techniques have provided a broader bandwidth but introduced high peak-to-average power ratio (PAR) problem at the high power amplifier (HPA) level of the communication system base transceiver station (BTS). To avoid spectral spreading due to high PAR, stringent requirement on linearity is needed which brings the HPA to operate at large back-off power at the expense of power efficiency. Consequently, high power devices are fundamental in HPAs for high linearity and efficiency. Recent development in wide bandgap power devices, in particular AlGaN/GaN HEMT, has offered higher power level with superior linearity-efficiency trade-off in microwaves communication. For cost-effective HPA design to production cycle, rigorous computer aided design (CAD) AlGaN/GaN HEMT models are essential to reflect real response with increasing power level and channel temperature. Therefore, large-size AlGaN/GaN HEMT large-signal electrothermal modeling procedure is proposed. The HEMT structure analysis, characterization, data processing, model extraction and model implementation phases have been covered in this thesis including trapping and self-heating dispersion accounting for nonlinear drain current collapse. The small-signal model is extracted using the 22-element modeling procedure developed in our department. The intrinsic large-signal model is deeply investigated in conjunction with linearity prediction. The accuracy of the nonlinear drain current has been enhanced through several issues such as trapping and self-heating characterization. Also, the HEMT structure thermal profile has been investigated and corresponding thermal resistance has been extracted through thermal simulation and chuck-controlled temperature pulsed I(V) and static DC measurements. Higher-order equivalent thermal model is extracted and implemented in the HEMT large-signal model to accurately estimate instantaneous channel temperature. Moreover, trapping and self-heating transients has been characterized through transient measurements. The obtained time constants are represented by equivalent sub-circuits and integrated in the nonlinear drain current implementation to account for complex communication signals dynamic prediction. The obtained verification of this table-based large-size large-signal electrothermal model implementation has illustrated high accuracy in terms of output power, gain, efficiency and nonlinearity prediction with respect to standard large-signal test signals.Die rasche Entwicklung von Kommunikationssystemen mit hohen Datenraten erfordert die Anwendung neuer spektral hocheffizienter Modulationstechniken und Mobilfunkstandards wie LTE-A. Diese Breitbandtechniken ermöglichen eine größere Signalbandbreite, beinhalten jedoch ein ungünstiges großes Verhältnis von Spitzen-zu- Durchschnittswert der Signale (PAR) in einem Hochleistungsverstärker (HPA). Um eine spektrale Verbreiterung durch ein hohes PAR zu vermeiden, sind strikte Anforderungen an die Linearität des HPA gestellt. Dies macht es erforderlich, daß der HPA nicht mit maximaler Signalleistung angesteuert, sondern mit stark reduzierter Eingangleistung im sog. Backoff-Betrieb betrieben wird, was zu einem ungünstigen Wirkungsgrad führt. Daher ist die Verfügbarkeit von linearen und leistungseffizienten Hochleistungstransistoren in Hochleistungsverstärkern von fundamentaler Bedeutung. Die neuere Entwicklung von Transistoren für die Mikrowellen-Kommunikationstechnik auf der Basis von Materialien mit breiter Bandlücke, wie AlGaN/GaN HEMTs, erlaubt höhere Leistungswerte bei einem günstigeren Linearität-Wirkungsgrad-Verhältnis. Für den kostengünstigen Entwurf von HPAs zur industriellen Fertigung sind zuverlässige HEMT-Modelle für den rechnergestützten Entwurf (CAD) erforderlich, die ein reales Verhalten bei höheren Eingangsleistungspegeln und Kanaltemperaturen widerspiegeln. Dazu wird in dieser Arbeit eine Prozedur zur Herleitung eines elektrothermischen Großsignalmodells für großflächige AlGaN/GaN HEMTs vorgestellt. Es werden HEMT-Struktur, Charakterisierung, Datenaufbereitung, Modellextraktion und Modellimplementierung beschrieben. Dabei werden Effekte wie Trapping und interne Wärmeverluste berücksichtigt, die für die nichtlineare Absenkung des Drainstroms verantwortlich sind. Die Extraktion des Kleinsignalmodells basiert auf einer in unserem Fachgebiet entwickelten Prozedur. Das intrinsische Großsignal-Modell wird gründlich bezüglich seiner Leistungsfähigkeit zur Linearitätsvorhersage untersucht. Die Genauigkeit der Simulation des nichtlinearen Drainstroms wird durch die Berücksichtigung parasitärer Einflüsse wie Trapping und Eigenerwärmung verbessert. Zudem wurde das Temperaturprofil der HEMT-Struktur analysiert; auf der Grundlage einer thermischen Simulation und Temperatur-kontrollierter gepulster und statischer Strom-Spannungs-Übertragungskennlinien wurde der thermische Widerstand bestimmt. Es wird ein äquivalentes thermisches Modell höherer Ordnung extrahiert und implementiert, um die augenblickliche Kanaltemperatur zu bestimmen. Darüber hinaus wurden das transiente Verhalten von Trapping und Eigenerwärmung mittels gepulster Messungen charakterisiert. Die gewonnenen Zeitkonstanten werden in Form von Ersatzschaltungen äquivalent beschrieben, so daß dadurch eine Simulation der Dynamik realer komplexer Kommunikationssignale ermöglicht wird. Die Verifikation zeigt eine hohe Genauigkeit hinsichtlich Ausgangsleistung, Verstärkung, Wirkungsgrad sowie bei der Simulation von üblichen Großsignaltestsignalen.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2012032941029
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