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Wireless Communication Application Spectrum
InP – HBT, HEMT MEHMT GaAs - HBT, PHEMT GaN - HEMT SiGe – HBT, BiCMOS Si – RF SiC -CMOS Si-LDMOS MESFET 0.8 Hz 2 GHz GaAs
GaN-on-SiC
S G D
Low Capacitance High Efficiency Enables High Efficiency Circuit Techniques Smaller Heat sink Benefits Reduced: (1) size/complexity (2) cooling (3) weight and (4) cost
powe r (Wa tts )
Silicon GaAs HBT
GaN HEMT
10
1
GaAs HEMT
0.1 1 10 frequency (GHz) 100
6
HPPL GaN Product Definitions
Matched Power Transistors (MPT) High power amplifier; 48V-65V, 40-500watts Pulsed; optimized for high power/efficiency, Input/Output matched 25 to 50Ω interface Broadband Power Transistors (BPT) High power amplifier; 48V 30 to 120 watts CW; optimized for high power/efficiency, Input matched no output match Wide-Band Power IC (PIC) High power ‘ gain block’ ; 28V to 48V, 10w to 30w; Wide bandwidth constant gain, 50Ω input matched Unmatched Power Transistor (UPT) High power amplifiers; 10-120 watts CW; No input or output match, tunable bandwidth and high peak efficiency
GaN SiC
High Power High Breakdown Voltage High Power Density Compact HPAs
High Thermal Conductivity
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RFMD Headquarters Campus Greensboro, NC
Fab#3 GaAs HBT Fab#1 GaAs pHEMT and GaN HEMT
Maximum Power (Watts)
100,000.0 10,000.0 1,000.0 100.0 10.0 1.0 0.1 1
10 Frequency (GHz)
100
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GaN Value Proposition
Wide Bandwidth High Impedance Multi-band Operation Configurable Radios
h
2 s (V bi V gs ) qN D
，
h(x)
2s[Vbi Vgs V (x)] qND
2
其中 VT Vbi Vp
VT 为阈值电压
，
qN D a Vp 2 s
Vp为夹断电压
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V（x）是沟道中某一点x相对于源极的电位。该方法称为缓 变沟道近似（GCA）。当漏极电压达到一定值时h（L）=a 时，导电沟道被夹断。 MESFET的I-V基本方程：
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肖特基势垒(如金属栅)下的耗尽层(即空间电荷区)和导电沟道.
金 属 的 功 函 数 ;电 子 从 费 米 能 级 到 金 属 表 面 外 ,即 所 谓 的 真 空 能 级 所 需 要 的 能 量 ( m ) . 从 量 子 力 学 来 看 金 属 的 功 函 数 由 两 部 分 组 成 : (1) 电 子 克 服 周 期 势 场 即 电 子 之 间 的 相 互 作 用 所 需 要 的 能 量 . (2). 克 服 表 面 可 能 存 在 的 表 面 偶 极 层 所 需 要 的 能 量 .同 样 ,半 导 体 的 功 函 数 是 从 费 米 能 级 到 所 谓 的 真 空 能 级 所 需 要 的 能 量 .由 于 金 属 的 功 函 数 大 于 半 导 体 的 功 函 数 ,二 者 存 在 着 电 势 差 .假 如 ,将 二 者 用 导 线 连 接 起 来 ,一 部 分 电 子 将 从 半 导 体 内 流 向 金 属 .这 样 ,靠 近 金 属 一 侧 的 半 导 体 内 出 现 了 电 子 的 耗 尽 ,即 耗 尽 层 ,形 成 了 内 建 电 场 .
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若在金属上外加正电压,耗尽层变窄,电子输运沟道变宽;外加负电压, 耗尽层变宽,电子输运沟道变窄.从而引起了沟道电阻的变化,在外电场不 变的情况下,电流发生了变化,这就是金属上外加电压对沟道电流的调制 作用,.
其中 :
a﹣h（x） ＝ b
（h随x变化）
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3.2 MESFET(金属半导体场效应晶体管）
– Base Station:Cellular and emerging WiMAX
• Required relatively high RF power, LDMOS & III-V FET • 2007 drop SiC device, , displaced by GaN device
• mm-Wave – Dominated by III-V (GaAs PHEMT, InP HEMT, GaAs MHEMT, GaN HEMT, InP HBT ), plus SiGe HBT and RF CMOS (2007) – Low noise amplifier and power devices
• 2007 add end-of-life battery voltage, FET/HBT integration for integrated bias circuit design, on-chip switch integration (for stage by-passing). • Emerging markets driving PA to a cost/performance driven and a cost only driven applications. Cost-only market driving silicon single chip alternatives.
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4 2 g s T S Ph ioew oere r tD icea vlic Le im s i GaN E (7c eV) 1.1 1.4 3.4 g v 10 m/s) 0.7 0.8 2.5 s X -B and MilitaryBroadband Radar Commercial Satcom Transmitters (VSAT – 1 MBPS) 6 MBPS)
对电子器件(载流子输运)的基本要求:
高频,高速: 短沟道,高迁移率. 低噪声:热噪声,低频噪声. 大功率:大电流(高迁移率,高浓度,大栅宽),高电压.
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电子器件的发展趋势: 由同质结器件向异质结量子器件发展. 器件的设计由掺杂工程设计向能带工程设计发展. 横向尺寸纳米化,纵向结构量子化. 电子器件中的载流子输运: 速度--场特性 举例;
RFMD Headquarters
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500GHz SIS接收机前端 -HEMT LNA
移 动 式 亚 毫 米 波 望 远 镜 介 绍 和 未 来 在 羊 八 井 可 能 的 亚 毫 米 波 天 文 观 测
中频范围：
1.1~1.8GHz 增益 ≧ 30 dB 噪声温度 10 K
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High Power Amplifiers
Output power capability vs operating bandwidth
Multiple 3GHz Few Competing Competing Technologies Technologies
.
1000 SiC MESFET 100
E v Pmax F
Why GaN for High Power?
Th eo ret ica lL im it f or Ga NP Th eo ow ret er ica De lL vic im es it f or Ga As Po we rD Commercial ev ice Communications s Base Stations
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两端器件(二极管): 整流管,检波管,混频管,变容管,RTD(共振隧穿二极 管)等. 三端器件(FET,HBT---同质,异质): MESFET: 同质材料(如N-GaAs),由肖特基结和N型欧姆接触组成. HEMT:高电子迁移率晶体管,异质结.由肖特基结和N型欧姆接触组成. HBT:异质结双极晶体管(在同质结双极晶体管的基础上发展起来的).由 掺杂异质结, P型,N型欧姆接触组成.
Applications drive Noise Figure, Power, Power Added Efficiency, Linearity and Cost
2007 Wireless Requirement Tables
• Power Amplifier – Handset : HBT & FET, III-V and Si
Roadmap mm-Wave Tables