Large signal modeling of GaN HEMTs for UMTS base station power amplifier design taking into account memory effects

Chalermwisutkul, Suramate; Jansen, Rolf H.

doi:1843

Large signal modeling of GaN HEMTs for UMTS base station power amplifier design taking into account memory effects = Großsignal-Modellierung von GaN HEMTs unter Berücksichtigung von Memory-Effekten für den Entwurf von Leistungsverstärkern in UMTS-Basisstationen

Chalermwisutkul, Suramate (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Suramate Chalermwisutkul

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangVIII, 139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Jansen, Rolf H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-02-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18432
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/61686/files/Chalermwisutkul_Suramate.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Elektrotechnik (611410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; PA-Anlage (frei) ; UMTS (frei) ; HEMT (frei) ; Analogsimulation (frei) ; Modellierung (frei) ; power amplifier (frei) ; memory effects (frei) ; device modeling (frei) ; simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: electronic * trapping * charge car * amplifiers

Kurzfassung
Im Vergleich zu GSM ist die Datenrate von UMTS stark erhöht, sodaß mobile Breitbandanwendungen möglich sind. Dabei sind die Spezifikationen von UMTS Mobiltelefonen und Basisstationen jedoch anspruchsvoller. Aufgrund des hohen Crest-Faktors von UMTS-Signalen müssen nicht nur eine hohe Effizienz und eine hohe Ausgangsleistung sondern auch eine hohe Linearität gewährleistet werden. Der Leistungsverstärker ist bezüglich des Leistungsverbrauchs das kritischste Element in einer Basistation, das für hohe Effizienz und hohe Linearität sorgfältig entworfen werden muß. Nach dem jetzigen Stand der Technik sind Si-LDMOSFETs Standardbauelemente für Mobilfunk-Basisstationen. Hinsichtlich der ständig steigenden Anforderungen der Kommunikationssysteme ist es jedoch zu erwarten, daß LDMOSFETs bald an ihre Grenze bzgl. Ausgangsleistung, Linearität sowie Effizienz stoßen werden. In Anbetracht des globalen Marktes der Mobilkommunikation existieren mehrere Standards mit den verschiedenen Frequenzbänden gleichzeitig. Basisstationen, die mit mehreren Kommunikationsstandards operieren können, führen zur Vereinheitlichung der Hardware und damit zu niedrigeren Produktions- und Wartungskosten. Für die sogenannten frequenzagilen Basisstationen sind bestimmte Bauelementeigenschaften z.B. hohe Ausgangsimpedanz und geringe Memory-Effekte erforderlich, die Si-LDMOSFETs nicht aufweisen können. Neu etablierte GaN HEMTs weisen im Vergleich zu Si-LDMOSFETs höhere Leistungsdichte, höhere Betriebsfrequenz, höhere Betriebsspannung und höhere Betriebstemperatur auf, die zu verringertem Kühlungsaufwand und geringerer Bauelementgröße führen. Außerdem kann die Struktur des Ausgangsanpassungsnetzwerkes wegen höherer Ausgangsimpedanzen von GaN HEMTs (ca. 10X wie bei Si-LDMOSFETs) vereinfacht werden. Bezüglich Bandbreite und Memory-Effekten zeigen GaN HEMTs also ein großes Potential als Bauelemente für rekonfigurierbare Leistungsverstärker in fre-quenzagilen Basisstationen (Eckl et al.: „Suitability of different device technologies for reconfigurable, multiband, multicarrier amplifiers”, WSC Symposium Workshop, IMS 2004, Ft. Worth, TX, USA, June 2004). Aus diesen Gründen wird erwartet, daß GaN HEMTs sich bald als Standard-Bauelemente für derartige Kommunikations- und Leistungsanwendungen etablieren werden. Untersuchungen in dieser Arbeit sind Bestandteile des vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten ERGAN-Projekts. Die in der Arbeit untersuchten GaN HEMTs wurden vom Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik in Berlin für Forschungszwecke prozessiert. Der Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung von GaN HEMTs auf die Eignung als RF Leistungstransistoren für frequenzagile Mobilfunk-Basisstationen. Die vorliegende Dissertation fokussiert sich auf die Charakterisierung und Modellierung von Memory-Effekten auf der Bauelementebene aufgrund von Störstellen (engl.: Trapping). Verschiedene, in der Literatur vorgestellte Meßmethoden zur Charakterisierung von Trapping wurden verglichen, um geeignete Meßaufbauten für die zu untersuchenden GaN HEMTs zu entwickeln. Messungen wurde bei verschiedenen Temperaturen, mit verschieden Biaspunkten sowie mit und ohne Lichteinwirkung durchgeführt, um die Auswirkungen auf die Zeitkonstanten des Einfangens und des Freigebens der Ladungsträger zu untersuchen. Parameter zur Charakterisierung des Trapping wurden aus den Messergebnissen extrahiert und in das Bauelementmodell integriert. Außerdem wurden Skalierungsregeln bzgl. Gateweite und Temperatur bestimmt. Schließlich wurde das entwickelte Modell unter Berücksichtigung des Trappings in Simulationen mit UMTS-Signalen eingesetzt, um die Auswirkungen der Memory-Effekte des Bauelements auf das System zu untersuchen. Zur Verifikation wurden Meß- und Simulationsergebnisse im Zeit- und Frequenzbereich verglichen. Envelope-Simulationen wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der Memory-Effekte auf der Spektralebene zu untersuchen. Mit den Simulationsergebnissen kann die Tauglichkeit der in dieser Arbeit untersuchten GaN HEMTs für rekonfigurierbare Multiband-Leistugsverstärker beurteilt werden. Die von solchen Simulationsergebnissen gewonnenen Informationen tragen zur weiteren Schaltungs- und Bauelementen-Optimierung sowie zu allgemeinen Erkenntnissen über Memory-Effekte in Leistungsverstärkern für die drahtlose Kommunikation bei.

Compared to GSM, the data-rate of UMTS is considerably increased so that mobile broadband applications are possible. However, the specifications of UMTS mobile phones and base stations are more stringent. Due to the high crest factor of UMTS-signals, RF-frontends of UMTS base stations are required to provide high linearity while high efficiency and high output power are also typically desirable. The most critical element consuming the largest fraction of power in a mobile base station is the power amplifier (PA) which must be carefully designed for high efficiency and high linearity. State-of-the-art power devices for base station PAs are Si-LDMOSFETs. However, since requirements of communication standards are consistently increased, it is expected that LDMOSFETs will reach their limitations regarding power level, linearity and efficiency in the near future. Considering the global market of mobile communication, several standards and frequency bands of operation exist. Commonality of base stations for different communication standards leads to reduced product spectrum and thus to lower production and maintenance costs. For frequency agile base stations, specific device properties e.g. a high output impedance and a marginal memory effect, which are not provided by LDMOSFETs, are necessary.Compared to Si-LDMOSFETs, recently emerging GaN HEMTs offer higher power density, higher frequency of operation, higher operating voltage and higher operating temperature which lead to less cooling requirement and smaller component size. Due to the high output impedance of GaN HEMTs (10 times as high as LDMOSFET with the same power level), the structure of the output matching network can be simplified. Moreover, regarding the bandwidth and the memory effects, GaN HEMTs have been shown in the literature to be potential power devices for reconfigurable base station PAs (Eckl et al.: “Suitability of different device technologies for reconfigurable, multiband, multicarrier amplifiers”, WSC Symposium Workshop, IMS 2004, Ft. Worth, TX, USA, June 2004). Therefore, GaN HEMTs are expected to establish themselves as standard power devices for communication and power applications. Investigations in this work are parts of the ERGAN-project supported in part by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The main objective of the project is to investigate the suitability of GaN HEMTs as RF power transistors for frequency agile mobile base station systems. GaN HEMTs investigated here have been processed by the Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. The dissertation focuses on the characterization and the modeling of devicelevel memory effects due to charge carrier trapping. Different measurement methods of charge carrier trapping proposed in the literature were compared to define appropriate measurement setups for the devices investigated in this work. The measurements were performed at different temperatures as well as under different bias- and lighting-conditions, respectively, to investigate their effects on the time constants of trap-charging and discharging processes. From the measurement results, parameters characterizing the charge carrier trapping can be extracted and integrated into the device model. Moreover, scaling rules of these parameters regarding the device size and the temperature were determined. Then, the large signal models taking into account charge carrier trapping were used for simulations with UMTS signals to examine the influences of the device-level memory effects on the system performance. As a verification, comparisons between measurements and simulations in time- and frequency domains are shown. Envelope simulations were performed to investigate the influence of trap-related memory effects on the output spectral shape. Considering the simulation results, the suitability for the reconfigurable multiband amplifier of the GaN HEMTs investigated in this work can be evaluated. The information gained from such simulation results contributes to further device and circuit optimization and the understanding of memory effects in power amplifiers for wireless communications.

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