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Sep 26, 2023

Effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance à transistor GaN à haute mobilité électronique induits par des impulsions micro-ondes

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16922 (2022) Citer cet article

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En raison du développement rapide des technologies de communication sans fil, de radar et d'alimentation par impulsions, l'environnement électromagnétique auquel sont confrontés les systèmes électroniques est de plus en plus complexe et l'intensité du champ électromagnétique peut être importante. Dans cette étude, un nouveau phénomène d'interférence a été observé lorsque les impulsions micro-ondes ont été injectées dans l'amplificateur de puissance du transistor à haute mobilité électronique (HEMT) au nitrure de gallium (GaN) via le port de sortie. Nous avons étudié la relation entre la puissance de crête des impulsions micro-ondes d'injection inverse et la durée ou l'amplitude de l'interférence par des expériences d'effet. La durée des interférences pourrait atteindre l'ordre de la milliseconde. Les pièges profonds dans les amplificateurs de puissance GaN HEMT se sont avérés être la cause de ces effets d'interférence.

Les propriétés matérielles uniques du nitrure de gallium (GaN), une large bande interdite, une conductivité thermique élevée, une tension de claquage élevée, une mobilité électronique élevée et les propriétés de dispositif du transistor GaN à haute mobilité électronique (HEMT), à savoir une faible capacité parasite, une faible résistance à l'allumage et une coupure élevée les fréquences off en font un bon choix pour une utilisation dans l'amplificateur de puissance (PA)1,2,3,4,5. Ces dernières années, les systèmes de radar et de contre-mesures électroniques basés sur des dispositifs de radiofréquence (RF) GaN ont démontré une distance de détection de transmission, une sensibilité et une durabilité plus longues, ainsi que des avantages de performance complets évidents, qui ont fortement favorisé l'amélioration des performances des équipements militaires. Le développement du système de communication de nouvelle génération, c'est-à-dire la communication sans fil de cinquième génération (5G), apportera également des changements révolutionnaires à l'industrie des semi-conducteurs. Au fur et à mesure que la bande de fréquences de communication migre vers la haute fréquence, les stations de base et les appareils de communication ont besoin d'appareils RF prenant en charge les performances haute fréquence. Les avantages du GaN deviendront progressivement importants, faisant du GaN une technologie clé dans la 5G6,7,8,9. Cependant, avec le développement rapide de la technologie d'alimentation par impulsions, la large application de radars haute puissance et d'émetteurs de communication, l'environnement électromagnétique devient de plus en plus complexe et la densité de puissance de l'environnement électromagnétique augmente également, ce qui rend la fiabilité de Amplificateur de puissance GaN-HEMT inévitablement être sérieusement menacé.

Dans ce travail, des impulsions micro-ondes ont été injectées dans un amplificateur de puissance GaN-HEMT via le port de sortie, et un nouveau phénomène d'interférence a été observé. La durée des interférences atteignait l'ordre de la milliseconde, ce qui constituerait une menace sérieuse pour le fonctionnement normal du système.

Le circuit intégré d'amplificateur de puissance (CI) TGF2023-2-01 a été fabriqué par Qorvo à l'aide de la technologie HEMT GaN/SiC haute puissance de 0,25 μm. L'amplificateur de puissance, dont la structure est illustrée à la Fig. 1, est conçu pour fonctionner sur la bande S (2–4 GHz) du spectre électromagnétique. L'amplificateur de puissance peut généralement fournir 38 dBm (environ 6 watts) de puissance de sortie saturée avec un gain de puissance de 13,5 dB à 3 GHz. L'efficacité maximale de la puissance ajoutée est de 60,5 %. VGate et VDrain sont respectivement la tension grille-source et la tension drain-source. Dans cet amplificateur de puissance, VGate est réglé sur − 5 V et VDrain est réglé sur + 28 V.

Structure de l'amplificateur de puissance utilisé dans l'étude.

La figure 2 montre le schéma du système expérimental utilisé dans nos travaux pour étudier les effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT induits par des impulsions micro-ondes. Le système d'expérimentation est conçu sur la base du mécanisme de réception et d'injection du rayonnement micro-onde, et ainsi, il peut être utilisé pour recréer des scénarios d'application pratiques de manière réaliste. Ce système se compose d'un système de source de micro-ondes auto-fabriqué, de plusieurs atténuateurs, d'un circulateur, d'un coupleur directionnel, d'un wattmètre RF (R&S NRP2) et d'un oscilloscope numérique (LeCroy WavePro 640Zi). Pour nos expériences, une série d'impulsions micro-ondes est générée par le système de source micro-ondes, qui peut être modifiée progressivement en réglant l'atténuateur de pas. De plus, un système de contrôle de synchronisation dans le domaine temporel et la source de signal (Agilent E8257D) sont utilisés pour contrôler la largeur d'impulsion, la fréquence de répétition et le nombre d'impulsions des impulsions micro-ondes.

Schéma de principe du système expérimental utilisé pour étudier les effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT induits par des impulsions micro-ondes.

Au cours de l'expérience, la source de signal et l'amplificateur de commande ont conduit conjointement l'amplificateur de puissance GaN-HEMT à être dans un état de fonctionnement normal. La fréquence de la source de signal et de la source hyperfréquence injectée était de 3 GHz. Les fréquences de fonctionnement des antennes d'émission et de réception étaient respectivement de 2,6 ~ 3,95 GHz et de 1 ~ 18 GHz. Les deux antennes étaient à polarisation verticale et la distance entre les antennes dans la chambre était d'environ 3 m. Le niveau de puissance au port 3 du circulateur injectant dans la sortie du PA était d'environ 42,6 watts, et la véritable forme d'onde peut être considérée comme une onde sinusoïdale d'une durée de 100 ns dans le domaine temporel. Une forme d'onde typique après démodulation injectée dans le port 3 du circulateur a été illustrée à la Fig. 3. La puissance de sortie saturée de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT était d'environ 6 watts, et la forme d'onde de sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT a été illustrée à la Fig. 4. Le couplage de l'oscilloscope a été réglé sur DC 50 Ω et l'offset DC n'a pas été appliqué pendant la mesure. Les impulsions micro-ondes modulées ont été injectées dans le port de sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT via le circulateur (du port 3 au port 1), et les signaux de sortie (du port 1 au port 2) de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT ont été observés par le oscilloscope.

Forme d'onde typique après démodulation injectée dans le port 3 du circulateur.

Signaux de sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT en état de fonctionnement normal.

La forme d'onde de sortie surveillée par l'oscilloscope lorsque les impulsions micro-ondes étaient injectées en sens inverse dans l'extrémité de sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT était illustrée à la Fig. 5. Les impulsions micro-ondes injectées avaient une puissance de crête de 46 dBm (environ 42,6 watts), une largeur d'impulsion de 100 ns, et un taux de répétition de 20 Hz. La largeur d'impulsion de 500 ns et la période de 2 µs étaient les formes d'onde de sortie normales de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT. Comme on peut le voir sur la figure 5, des impulsions micro-ondes d'une certaine intensité de puissance peuvent provoquer un effet d'interférence dans la sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT. L'amplitude des interférences s'est progressivement affaiblie avec la disparition des impulsions micro-ondes. Lorsque les amplificateurs de puissance sont utilisés dans des radars ou d'autres systèmes RF, une si longue durée et une intensité élevée d'interférences de sortie affecteront la sensibilité et la précision de détection des systèmes. Si c'est grave, le système ne peut pas fonctionner correctement.

Signaux de sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT observés par l'oscilloscope lorsque des impulsions micro-ondes ont été injectées dans le port de sortie.

Afin d'explorer les causes de ces effets d'interférence, la sortie de la source de tension VDrain a été surveillée par un oscilloscope tandis que les impulsions micro-ondes étaient injectées en sens inverse dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT. Il a été constaté que la sortie de l'amplificateur de puissance était perturbée, tandis que la sortie de la source de tension restait stable à + 28 V sans aucun changement. Par conséquent, la possibilité d'interférences introduites par la source de tension a été exclue. Étant donné qu'un grand nombre de condensateurs sont utilisés dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT pour filtrer les ondes, afin d'explorer si l'interférence est liée aux condensateurs, un grand condensateur de 1000 µF a été connecté en parallèle sur le côté droit du condensateur C6 et condensateur C14 respectivement, et l'expérience a été répétée. Il a été constaté que le phénomène d'interférence de sortie de l'amplificateur de puissance était exactement le même que celui sans augmentation des condensateurs. La possibilité que l'interférence ait été introduite par des condensateurs de filtrage a également été exclue. Ainsi, le phénomène d'interférence peut être fondamentalement déterminé comme provenant du GaN-HEMT lui-même.

Afin d'étudier systématiquement les effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT induits par les impulsions micro-ondes. En ajustant l'atténuateur réglable, des impulsions micro-ondes de différentes puissances de crête ont été injectées en sens inverse dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT. Les relations entre le temps d'interférence de sortie, l'amplitude d'interférence maximale et la puissance de crête injectée ont été illustrées à la Fig. 6. Comme on peut le voir sur la Fig. 6, avec l'augmentation de la puissance de crête des impulsions micro-ondes, le temps d'interférence et la puissance maximale l'amplitude augmente. Le temps d'interférence est de l'ordre de la milliseconde, beaucoup plus long que la largeur d'impulsion des impulsions micro-ondes injectées.

Relations entre le temps d'interférence de sortie, l'amplitude d'interférence maximale et la puissance de crête injectée des impulsions micro-ondes.

Les nitrures III sont généralement cultivés sur des substrats présentant des mésappariements de réseau. La croissance est effectuée à des températures élevées, ce qui peut être propice à une forte contamination par les impuretés, une forte concentration de défauts ponctuels et une forte déformation causée par la différence des coefficients de dilatation thermique. Tous ces éléments peuvent entraîner une forte densité de défauts étendus et de centres avec des niveaux profonds10. Les pièges profonds restent un problème important et l'un des principaux obstacles à l'utilisation généralisée du GaN-HEMT. Le piégeage se manifeste par une variété de phénomènes, tels qu'une puissance de sortie plus faible aux hautes fréquences, une dispersion de fréquence, du bruit, un retard de grille et un retard de drain, des courants de fuite élevés, une faible tension de claquage, une dégradation de l'appareil en fonctionnement, des courants sous-seuil élevés11,12, 13,14,15,16,17,18,19.

Lorsque les impulsions micro-ondes sont injectées en sens inverse dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT à partir du port de sortie, le fort champ électrique généré par le couplage micro-ondes est directement chargé sur le drain du GaN HEMT. Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) dans le canal gagnera beaucoup d'énergie à partir des impulsions micro-ondes et deviendra des électrons à haute énergie, qui peuvent traverser la barrière et être capturés par des pièges profonds, comme illustré à la Fig. 7. Les pièges profonds sont liés aux défauts natifs, aux impuretés et aux dislocations en général10,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29. Le piégeage induit par les pièges profonds entraîne une diminution significative de la densité 2DEG dans le canal, entraînant une diminution du courant de sortie du GaN HEMT et finalement une forte réduction de la puissance de sortie de l'amplificateur de puissance. Les temps de relaxation caractéristiques des pièges profonds mesurés pour différentes structures de transistors varient largement de la microseconde à la dizaine de millisecondes10,30, ce qui est fondamentalement cohérent avec le temps d'interférence induit par les impulsions micro-ondes. Plus la puissance de crête des impulsions micro-ondes est élevée, plus le champ électrique couplé au drain du GaN HEMT est fort, et plus le 2DEG peut capturer d'énergie et plus les pièges profonds piègent plus d'électrons. Par conséquent, le temps d'interférence et l'amplitude d'interférence maximale augmentent avec l'augmentation de la puissance de crête des impulsions micro-ondes à injection inverse.

Dessin schématique du piégeage dans GaN HEMT induit par les impulsions micro-ondes.

Le principe du transistor GaAs pseudomorphique à haute mobilité électronique (PHEMT) et GaN HEMT est similaire, les deux sont des transistors à haute mobilité électronique fonctionnant via le 2DEG. GaAs PHEMT a une concentration de pièges profonds beaucoup plus faible que GaN HEMT en raison de ses propriétés matérielles et de ses conditions de croissance31,32,33,34. Pour vérifier davantage l'effet d'interférence induit par le piège profond, nous avons sélectionné un amplificateur de puissance GaAs-pHEMT (BW234) pour effectuer la même expérience.

Le circuit intégré d'amplificateur de puissance GaAs-pHEMT BW234 a été fabriqué par le 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation. L'amplificateur de puissance a également été conçu pour fonctionner sur la bande S (2,7–3,5 GHz) du spectre électromagnétique. L'amplificateur de puissance GaAs-pHEMT peut généralement fournir 40 dBm (environ 10 watts) de puissance de sortie saturée avec un gain de puissance de 24 dB à 3 GHz. L'efficacité maximale de la puissance ajoutée était de 33 %. VGate a été réglé sur - 0,7 V et VDrain a été réglé sur + 8 V. Contrairement au GaN HEMT, la puissance de crête des impulsions micro-ondes à injection inverse a été augmentée en continu, mais aucune interférence n'a été trouvée jusqu'à ce que l'amplificateur de puissance GaAs-PHEMT soit grillé. Cette expérience supplémentaire a en outre confirmé que les effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT induits par les impulsions micro-ondes étaient liés aux pièges de niveau profond à l'intérieur du dispositif. Un isolateur est un appareil à 2 ports qui ne transmet les signaux que dans un sens et les empêche de passer dans l'autre35. L'ajout d'un isolateur à la sortie de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT peut être utilisé pour améliorer ce phénomène.

En résumé, nous avons étudié les effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance GaN-HEMT induits par des impulsions micro-ondes. Il a été constaté que le signal de sortie normal de l'amplificateur de puissance GaN-HEMT peut être perturbé lorsque les impulsions micro-ondes sont injectées vers l'arrière depuis l'extrémité de sortie du dispositif. Le temps d'interférence peut être de l'ordre de la milliseconde. Le temps d'interférence et l'amplitude d'interférence maximale augmentent avec l'augmentation de la puissance de crête des impulsions micro-ondes d'injection inverse. Par des analyses et des expériences comparatives, il est confirmé que le piégeage induit par les pièges profonds est la principale cause de ce phénomène. Cette découverte est utile pour le renforcement protecteur des dispositifs à base de GaN.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Science et technologie sur le laboratoire de micro-ondes à haute puissance, Institut d'électronique appliquée, Académie chinoise d'ingénierie physique, Mianyang, 621900, Chine

Jingtao Zhao, Chaoyang Chen, Zhidong Chen, Zhong Liu et Gang Zhao

Key Laboratory of Science and Technology on Complex Electromagnetic Environment, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, Chine

Jingtao Zhao, Chaoyang Chen, Zhidong Chen, Zhong Liu et Gang Zhao

Institut d'ingénierie électronique de l'Académie chinoise d'ingénierie physique, Mianyang, 621999, Chine

Quanyou Chen

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JTZ, GZ et CYC ont conçu les expériences. JTZ, ZL et ZDC ont réalisé les expériences. JTZ et QYC ont analysé les données et rédigé le manuscrit principal. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Gang Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhao, J., Chen, Q., Chen, C. et al. Effets d'interférence dans l'amplificateur de puissance à transistor GaN à haute mobilité d'électrons induits par des impulsions micro-ondes. Sci Rep 12, 16922 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21324-y

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Reçu : 22 juin 2022

Accepté : 26 septembre 2022

Publié: 08 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-21324-y

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