30613

تحليل و مدل‌سازي ترانزيستور GaN-HEMT توان بالا، فركانس بالا به‌منظور افزايش قابليت اطمينان

كارشناسي ارشد

مهدسي برق - افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1399

1402/7/15

دكتر جواد ياوندحسني

مهندسي برق

به‌وضوح امروزه، نياز به استفاده از نرم‌افزارهايي كه بتوانند در فركانس‌هاي بالا عمل كنند يا سرعت كليدزني بالايي داشته و در دماهاي بالا نيز عملكرد قابل اعتمادي داشته باشند، به‌طور قابل‌توجهي افزايش يافته است. ماده‌ي GaN به دليل خصوصيات منحصربه‌فردي همچون شكاف باند انرژي بزرگ، ميدان الكتريكي بحراني بالا، و سرعت اشباع الكترون‌هاي بالا، به عنوان ماده‌اي مناسب براي توليد افزاره‌هايي با سرعت و توان بالا شناخته شده است. همچنين، با توجه به پيشرفت‌ها در حوزه فضايي و استفاده از تجهيزات پيشرفته در ارتباطات فضايي و همچنين مقاومت در برابر پرتوهاي مختلف، افزارهاي مبتني بر GaN به‌دليل مقاومت و قابليت كار در فركانس‌هاي بالا، در اين حوزه به‌كارگرفته مي‌شوند. در اين پايان‌نامه، با هدف افزايش جريان خروجي ترانزيستور و همچنين بهبود عملكرد در بخش‌هاي توان بالا و فركانس بالا، يك طرح و شماتيك جديد از ترانزيستورهاي GaN-HEMT ارائه شده است. اين شماتيك كه يك ترانزيستور GaN HEMT چند كاناله است جريان ترانزيستور را تا 5A افزايش داد. همچنين، با هدف افزايش قابليت اطمينان اين ترانزيستورها، با طراحي جديد، ولتاژ شكست ترانزيستور يك GFP به مقدار 541V و با چند FP به مقدار V650 افزايش يافته است كه اين خروجي با خروجي هاي مقالاتي از سال هاي 2023 مقايسه شد كه بهبود چشم گيري از آن حاصل شده است. در انتها، با استفاده از نرم‌افزارهاي UTMOST و ATLAS، مدل ASM-HEMT را براي ترانزيستورهاي GaN پياده سازي كرديم و توانستيم با استفاده از اين مدل پارامترهاي آن را استخراج كنيم و در ادامه با استفاده از اين پارامترهاي استخراج شده يك تقويت‌كننده با فركانس بالاي كلاس F^(-1) (14 گيگاهرتز) طراحي و بهبود‌هاي آن را بيان كرديم كه خروجي اين بخش و بهبودهاي حاصل از آن با يك مقاله از سال 2021 مقايسه شد. هر دوي اين شبيه سازي ها بر روي فركانس 14 گيگاهرتز هستندكه ولتاژ خروجي 11.42 V ، گين 14.22 db، PAE = 47.20 و P_out=33.23 dBm هر كدام بهبود چشم گيري داشته اند.

1402/12/20

Analysis and modeling of high-power, high-frequency GaN-HEMT transistors to increase reliability.

10/6/2024 12:00:00 AM

In today's technological landscape, the demand for software capable of operating at high frequencies or achieving high switching speeds, while maintaining reliable performance under elevated temperatures, has become increasingly pronounced. Gallium Nitride (GaN) material stands out as a viable candidate for producing devices with enhanced speed and power characteristics, owing to its unique properties such as a large energy band gap, high critical electric field, and high electron saturation speed. Moreover, given the burgeoning advancements in space exploration and the deployment of sophisticated equipment in space communication, alongside the imperative for resilience against various radiation sources, GaN-based devices have found utility in such applications, owing to their inherent resistance and capacity to function at elevated frequencies. This thesis endeavors to augment the output current of transistors while concurrently enhancing performance in the domains of high power and high frequency. To this end, a novel design and schematic of GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT) transistors are presented herein. This schematic, constituting a multi-channel GaN HEMT transistor, elevates the transistor's current capability to 5A. Additionally, in pursuit of bolstering the reliability of these transistors, the breakdown voltage of a single GaN Field Plate (GFP) transistor has been heightened to 541V, and when employing multiple Field Plates (FPs), up to 650V has been attained. Subsequently, leveraging UTMOST and ATLAS software, the ASM-HEMT model for GaN transistors was implemented, and its parameters were extracted. Utilizing these extracted parameters, a high-frequency amplifier circuit was fabricated. Notably, the design improvements are elucidated through the description of the F^(-1)(14 GHz) design, with a comparative analysis against a reference paper from 2021. Both simulations conducted at a frequency of 14 GHz manifest significant enhancements, with an output voltage of 11.42 V, a gain of 14.22 dB, Power Added Efficiency (PAE) of 47.20%, and an output power (P_out) of 33.23 dBm, showcasing remarkable improvements over the referenced work.

Amir Khaleghparast Sereshkeh

Javad Yavand Hasani