TY - THES A1 - Luo, Peng T1 - GaN HEMT modeling including trapping effects based on Chalmers model and pulsed S-parameter measurements T1 - GaN-HEMT-Modellierung unter Einschluss von Trapping-Effekten basierend auf dem Chalmers-Modell und gepulsten S-Parameter-Messungen N2 - Although GaN HEMTs are regarded as one of the most promising RF power transistor technologies thanks to their high-voltage high-speed characteristics, they are still known to be prone to trapping effects, which hamper achievable output power and linearity. Hence, accurately and efficiently modeling the trapping effects is crucial in nonlinear large-signal modeling for GaN HEMTs. This work proposes a trap model based on an industry standard large-signal model, named Chalmers model. Instead of a complex nonlinear trap description, only four constant parameters of the proposed trap model need to be determined to accurately describe the significant impacts of the trapping effects, e.g., drain-source current slump, typical kink observed in pulsed I/V characteristics, and degradation of the output power. Moreover, the extraction procedure of the trap model parameters is based on pulsed S-parameter measurements, which allow to freeze traps and isolate the trapping effects from self-heating. The model validity is tested through small- and large-signal model verification procedures. Particularly, it is shown that the use of this trap model enables a dramatical improvement of the large-signal simulation results. N2 - Obwohl GaN HEMTs wegen ihrer hohen Durchbruchspannungen und ihrer hohen Driftsättigungsgeschwindigkeit als eine der vielversprechendsten HF-Leistungstransistortechnologien angesehen werden, ist bekannt, dass sie anfällig für Trapping-Effekte sind. Diese verschlechtern die erzielbare Ausgangsleistung und die Linearität. Folglich ist die genaue und umfassende Modellierung dieser Trapping-Effekte entscheidend für ein gutes nichtlineares Großsignalmodell der GaN HEMTs. In dieser Arbeit wird ein Trap-Modell vorgestellt, das auf dem Chalmers Modell beruht, einem allgemein in kommerzieller Entwurfssoftware verfügbaren Großsignalmodell für Transistoren. Anstelle einer komplizierten nichtlinearen Trap-Modellierung müssen im von mir vorgeschlagenen Modell nur vier Parameter zur Beschreibung der wesentlichen Trap-Wirkungen bestimmt werden. Trap-Wirkungen sind hier Drain-Source-Strom-Abfall, Abknicken der gepulst gemessenen Ausgangskennlinie und Verschlechterung der Ausgangsleistung. Die Extraktion der Trap-Modell-Parameter stützt sich auf gepulst gemessene S-Parameter. Dadurch wird der Trap-Zustand bei der Messung eingefroren und Selbsterwärmung vermieden. Die Gültigkeit des Modells wird anhand von Klein- und Großsignalmessungen überprüft. Speziell wird hier gezeigt, dass durch die Verwendung meines Trap-Modells die Großsignal-Simulationsergebnisse deutlich verbessert werden. KW - GaN HEMTmodeling KW - Trapping effect modeling KW - Drain-lag effect KW - GaN HEMT Modellierung KW - Trapping-Effekt Modellierung KW - Drain-Lag Effekt KW - Galliumnitrid KW - HEMT KW - Großsignalverhalten Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45981 ER - TY - THES A1 - Andrei, Andreea Cristina T1 - Untersuchung und Optimierung robuster und hochlinearer rauscharmer Verstärker in GaN-Technologie T1 - Analysis and optimization of rugged and high linear low-noise amplifier N2 - Die nächste Generation von integrierten Sende- und Empfangsystemen erfordert sowohl robuste rauscharme Verstärker als auch Leistungsverstärker auf einem einzelnen Chip. Die GaN-HEMT-Technologie hat bisher gezeigt, dass sie durch ihre hohen Durchbruchspannungen, die hohe Elektronenbeweglichkeit und die niedrige Rauschzahl ein guter Kandidat für die Realisierung solcher Systeme ist. Diese Arbeit beschäftigt sich mit hochlinearen und robusten rauscharmen Verstärkern, welche in Sender-Empfänger-Systeme integriert werden können. Zuerst wird der GaN HEMT charakterisiert. Die Eigenschaften von Transistoren werden während des Burn-in Prozesses und gepulster Anregung mit hoher Überlast am Eingang analysiert. Damit werden die Grundlagen für das Verständnis des Verhaltens eines Verstärkers während und nach der Übersteuerung am Eingang gelegt. Der Hauptteil dieser Arbeit zeigt die Entwicklung und die Charakterisierung von robusten rauscharmen Verstärkern. Darüber hinaus wird ein neues Konzept für die Steigerung der Robustheit entwickelt, gemessen und charakterisiert. Das Konzept verwendet eine neuartige Zusammenschaltung zweier Transistoren am Verstärkereingang, wodurch die Spannungsfestigkeit gegenüber hohen Leistungspegeln gesteigert wird. Damit konnten Höchstwerte von +44dBm mit CW-Anregung und +47dBm mit gepulster Anregung am Verstärkereingang ohne Beschädigung demonstriert werden. N2 - The next generation of integrated transceivers requires low-noise amplifier as well as power amplifier on a single chip. GaN HEMTs show high breakdown voltages and power handling capabilities, as well as a low noise figure, therefore they are an ideal candidate for RF front-ends. The thesis analyses highly linear and rugged low-noise amplifiers, which can be integrated on transceivers. GaN HEMT properties are analyzed during burn-in and pulsed input overdrive. This provides a fundamental understanding for amplifier behaviour during and after input power overdrive. The main part of the thesis addresses the development and the characterization of rugged low-noise amplifiers. Beyond that a new concept for the ruggedness improvement is developed, measured and characterized. This concept uses a novel interconnection topology between two transistors at the amplifier’s input, which enhances the LNA’s ruggedness against high input power levels. It could be demonstrated that the LNA can withstand peak input power values higher than +44dBm using CW signal and +47dBm with a pulsed signal at the amplifier’s input without damage. KW - GaN HEMT KW - Rauscharme Verstärker KW - Robustheit KW - Stacked Verstärker KW - Übersteuerung mit hoher Eingangsleistung KW - GaN HEMT KW - Low noise amplifier KW - Ruggedness KW - Stacked amplifier KW - Input power overdrive KW - Rauscharmer Verstärker KW - Galliumnitrid KW - HEMT KW - Robuste Regelung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44782 ER - TY - THES A1 - Beleniotis, Petros T1 - Physics-based trap modeling of GaN HEMTs T1 - Physikbasierte Trap-Modellierung von GaN-HEMTs N2 - Gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) have emerged as the preferred choice for telecommunication system designs, owing to their superior power levels compared to their silicon counterparts, especially at high frequencies and in harsh environments. Despite these advantages, reliable GaN HEMTs have been impeded by challenges such as electron trapping, which significantly impairs transistor functionality. Accurately modeling these effects is essential for the successful deployment of GaN-based designs. Over the past 15 years, the focus has been on empirical models suitable for circuit design. These models often result in a disconnect between modeling and technological advancements, thereby limiting further optimization of device performance. This study presents a novel trap model for GaN HEMTs that combines accuracy with physical principles. The model is broadly applicable, enabling the simulation of current collapse and knee walkout under various bias conditions, and is adaptable to RF applications with exceptional accuracy, through different trap-circuit configurations. The first model configuration is effective in simulating small- and large-signal continuous-wave (CW) RF measurements. It accurately mimics the slow response of electrons in traps to voltage reductions, ensuring efficient performance in simulations where traps maintain a steady state. Its accuracy has been validated through multiple measurements, including pulsed IV, S-parameter measurements, RF power sweeps, and load pull contours. Its development was enhanced by integrating experimental data and theoretical insights, which improved its accuracy and facilitated the development of additional analytical tools, such as statistical and compact modeling for trap localization. The second configuration is advantageous for pulsed RF and switching applications, as well as high-temperature environments. This configuration enables precise characterization of the swift capture time constant, a capability previously unattainable with conventional measurement techniques. Its development followed a systematic approach, beginning with the characterization of trap levels within the band gap of the devices, followed by the application of TCAD simulations to locate the position of traps and assess their impact on device performance. Ultimately, the second trap model configuration incorporates Shockley-Read-Hall (SRH) statistics to model temperature- and bias-dependent trapping, aiming to simulate the slow gate-induced trapping observed in rugged GaN-based low-noise amplifiers (LNAs). The inclusion of SRH statistics addresses significant challenges in GaN HEMT trap modeling. N2 - Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT) haben sich als vorteilhaft für die Entwicklung von Telekommunikationssystemen herausgestellt, da sie im Vergleich zu Silizium eine höhere Leistung aufweisen, insbesondere bei hohen Frequenzen und in rauen Umgebungen. Trotz dieser Vorteile wird die Zuverlässigkeit von GaN-HEMTs durch Probleme wie Elektroneneinfang in Traps behindert, welches die Transistorfunktion erheblich beeinträchtigt. Die genaue Modellierung dieser Effekte ist für den erfolgreichen Einsatz in GaN-basierten Schaltungen unerlässlich. In den letzten 15 Jahren lag der Schwerpunkt auf empirischen Modellen. Diese Modelle führen häufig zu einer Diskrepanz zwischen der Modellierung und dem realen Verhalten infolge der technologischen Fortschritte, was die weitere Optimierung der Bauelementleistung einschränkt. In dieser Studie wird ein neuartiges Trap-Modell für GaN-HEMTs vorgestellt, das Genauigkeit mit physikalischen Prinzipien verbindet. Das Modell ist vielfältig anwendbar und ermöglicht die Simulation des Stromkollapses und des Knee-walkouts bei verschiedenen Vorspannungsbedingungen. Es ist durch unterschiedliche Modellkonfigurationen mit hoher Genauigkeit für spezielle HF-Anwendungen anpassbar. Die erste Modellkonfiguration eignet sich für die Simulation von HF-Messungen mit kleinen und großen Signalen im Dauerstrichbetrieb. Sie ahmt die langsame Reaktion von Elektronen in Traps auf Spannungsreduzierungen genau nach und gewährleistet eine effiziente Beschreibung des elektrischen Verhaltens, wenn die Traps ihren Ladezustand beibehalten. Die Modellgenauigkeit wurde durch mehrere Messungen überprüft, darunter durch gepulste Strom-Spannungs- und S-Parameter-Messungen, HF-Leistungsvariations- und Load-Pull Kontur-Messungen. Die zweite Modellkonfiguration ist vorteilhaft für gepulste HF- und Schaltanwendungen sowie für Hochtemperaturumgebungen. Diese Konfiguration ermöglicht eine präzise Beschreibung der schnellen Einfangzeitkonstante der Traps, eine Fähigkeit, die bisher bei konventionellen Messtechniken nicht verfügbar war. Die Entwicklung folgte einem systematischen Ansatz, beginnend mit der Charakterisierung der Trapenniveaus innerhalb Bandlücke der Halbleiterbauelemente, gefolgt von der Anwendung von TCAD-Simulationen zur räumlichen Lokalisierung der Traps und zur Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Bauelementfunktion. Letztendlich beinhaltet die zweite Modellkonfiguration die Shockley-Read-Hall(SRH)-Statistik, um temperatur- und vorspannungsabhängiges Trapping zu modellieren, mit dem Ziel, das langsame Gate-induzierte Trapping zu simulieren, das in robusten rauscharmen GaN-Verstärkern (LNAs) beobachtet wird. Durch die Einbeziehung der SRH-Statistik wird den erheblichen Herausforderungen bei der Modellierung von GaN-HEMT-Traps entsprochen. KW - Shockley-Read-Hall KW - GaN HEMT KW - Microwaves KW - Compact models KW - Trapping effects KW - Mikrowellen KW - Kompaktmodelle KW - Trapping-Effekte KW - HEMT KW - Galliumnitrid KW - Mikrowelle KW - Modellierung KW - Elektron Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69331 ER - TY - THES A1 - Kaule, Evelyne T1 - Robuste rauscharme GaN Verstärker : Untersuchung und Limitierung der Ausgangsleistung im Überlastfall T1 - Rugged low-noise GaN amplifiers : investigation and limitation of the output power under overdrive condition N2 - Stetig steigende Leistungen der Leistungsverstärker in den Sender-Empfängermodulen zwingen den rauscharmen Verstärker zu einem immer höheren Schutz am Eingang. Aufgrund hoher Durchbruchspannungen bieten GaN HEMTs eine robuste Eingangsstufe, womit ein Schutz des LNA Eingangs und die damit verbundene Verschlechterung der Rauschzahl unnötig wird. Allerdings nützte dieser Schutz nicht allein den rauscharmen Verstärker, da nachfolgende Stufen durch die hohen Ausgangsleistungen der GaN LNAs zerstört werden können. Daher widmet sich diese Arbeit der Untersuchung von robusten rauscharmen GaN Verstärkern sowie verschiedener Schaltungen zum Schutz der nachfolgenden Stufen vor einer zu hohen Eingangsleistung, wobei die Rauschzahl unbeeinflusst bleiben soll. Da eine robuste Eingangsstufe relevant für diese Arbeit ist, wurden neuartige Designs von robusten GaN LNA MMIC untersucht. Einerseits wurde ein LNA MMIC Chip mit einer gestapelten Eingangsstufe entwickelt, womit die Eingangsleistung und entsprechend die Robustheit erhöht werden konnte. In dieser Arbeit wird ein verbessertes Design des gestapelten GaN LNA MMIC vorgestellt, dessen Verstärkung von mehr als 23 dB und ein Rauschmaß von 2,6 dB im C-Band Frequenzbereich erreicht. Anderseits wurde ein neuartiger multiband GaN LNA MMIC für die Frequenzen 0,8 GHz; 1,8 GHz und 3,6 GHz entwickelt. Dieser erreicht eine Verstärkung von mehr als 29 dB bei 0,8 GHz und mehr als 34 dB bei 3,6 GHz mit einer maximalen Verstärkung von 34,9 dB bei 1,8 GHz sowie einen minimalen Rauschmaß von 2,2 dB bei 3,6 GHz. Der multiband LNA MMIC ist mit einen OIP3 von mehr als 36dBm bei 3,6 GHz hochlinear. Weiterhin wurde für den gestapelten und den multiband GaN LNA MMIC die Robustheit mittels eines hochohmigen Widerstands in der Gate Versorgung verbessert. Im Rahmen der Charakterisierung von GaN Verstärkern zeigt sich, dass der Gate DC und Drain DC Strom Indikatoren jeweils für die Kompression und Sättigung der Ausgangsleistung im Überlastfall darstellen. Der Zusammenhang zwischen dem Gate DC Strom und dem Überlastfall war der Ausgangspunkt für die Entwicklung der Schaltungen zur Limitierung der Ausgangsleistung, um die nachfolgenden Stufen des LNAs zu schützen. Daher wird dieser Strom zum Schalten eines Ausgangsdämpfungsglieds sowie einer adaptiven Drain DC Versorgung verwendet. Das Ausgangsdämpfungsglied wurde als ein GaN HEMT in Common-Gate Konfiguration an den Ausgang eines robusten GaN LNAs auf einen Chip geschalten, wodurch im Überlastfall eine Dämpfung von 29 dB erreicht wird. Weiterhin konnte durch die adaptive Drain DC Versorgung, welche als eine hybride Schaltung mit einem robusten GaN LNA MMIC als Kern entwickelt wurde, eine Dämpfung von 28 dB erzielt werden. Sowohl für das Ausgangsdämpfungsglied als auch für die adaptive Drain DC Versorgung blieben die Kleinsignal Verstärkung und das Rauschmaß des GaN LNA MMICs unbeeinflusst. N2 - Continuously increasing power amplifier performance in the transceiver module forces the low-noise amplifier to provide more and more protection at the input. Due to high breakdown voltages, GaN HEMTs enables a rugged input stage, thereby eliminating the need for protection at the input and the resulting poorer noise performance. However, this protection didn’t benefit the low-noise amplifiers alone, because subsequent stages can be destroyed by the high output powers of GaN LNAs. Therefore, this work focuses on the investigation of rugged low noise GaN amplifiers, as well as different circuits to protect the subsequent stages against too high input power, while keeping the noise performance unaffected. Since a rugged input stage is relevant for this work, innovative designs of rugged GaN LNA MMIC were investigated. On the one hand, an LNA MMIC chip with a stacked input stage was developed, thus increasing the input power and consequently the ruggedness. In this paper, an improved design of the stacked GaN LNA MMIC is presented, whose gain of more than 23 dB and noise figure of 2.6 dB are achieved in C-band frequency range. On the other hand, a novel multiband GaN LNA MMIC was developed for the frequencies of 0.8 GHz, 1.8 GHz and 3.6 GHz. This achieves a gain of more than 29 dB at 0.8 GHz and more than 34 dB at 3.6 GHz, with a maximum gain of 34.9 dB at 1.8 GHz and a minimum noise figure of 2.2 dB at 3.6 GHz. Furthermore, the multiband LNA MMIC is highly linear with an OIP3 of more than 36dBm at 3.6 GHz. In addition, for the stacked and multiband GaN LNA MMIC, the ruggedness was improved using a high ohmic resistor in the gate supply. Based on the characterization of GaN amplifiers, the gate DC and drain DC currents are indicators for the compression and saturation of the output power in the overload condition, respectively. The correlation between the gate DC current and the overload condition was the starting point for the development of the circuits to limit the output power in order to protect the subsequent stages of the LNA. Therefore, this current is used to switch an output attenuator as well as an adaptive drain DC supply. The output attenuator was connected as a GaN HEMT in common-gate configuration to the output of a rugged GaN LNAs as on-chip solution, which achieved an attenuation of 29 dB in the overload case. An attenuation of 28 dB could be achieved by the adaptive drain DC supply, which was developed as a hybrid circuit switching a GaN LNA MMIC. The small-signal gain and noise figure of the GaN LNA MMIC were unaffected for both protect circuits, the output attenuator and the adaptive drain DC supply. KW - GaN KW - HEMT KW - Rauscharmer Verstärker KW - Robustheit KW - Überlastfall KW - MMIC KW - Galliumnitrid KW - HEMT KW - Rauscharmer Verstärker KW - Robuste Regelung KW - Überlastkontrolle KW - Low-noise amplifier KW - LNA KW - Ruggedness KW - Overdrive condition Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66035 ER - TY - THES A1 - Tomaz de Carvalho, Antonio T1 - A novel system for characterization of GaN-based low-noise amplifiers T1 - Ein neuartiges System zur Charakterisierung von rauscharmen GaN-Verstärkern N2 - Although low-noise amplifiers (LNA) are designed to amplify low RF power levels, there are possibilities that they receive high RF powers as front-end radios and electronic warfare receiver systems. Commonly, this high power levels are not desired. Due to such applications and demands, robust LNA are required. The GaN-based HEMT low-noise amplifiers are being considered an established technology used on different applications for telecommunications systems and radars. The GaN-based LNAs can handle high RF input powers, and they still keep functional. These GaN-based robust LNAs have several advantages, as no limiters are required to protect them against high RF input powers. As a result, these robust LNAs have a simplified RF receiver architecture and are cheaper to manufacture. However, the GaN HEMTs LNAs are known to show significant memory effects, which also play a negative role when a high RF input power level is received by the LNA and drives it into compression. After degradation of the LNA performance, it needs time to recover to its normal small-signal operation mode. This time is called recovery time. This is an important measurement parameter, once some applications require receivers to work immediately after a high RF input power was received, especially for pulse-radar applications. The main focus of this thesis is on the implementation of a novel measurement setup suitable to characterize the GaN-based robust LNAs and their recovery time. First, the system concept was implemented step by step using different instruments. The whole system setup has been programmed to work remotely, to perform the measurement and to save the results automatically. A software based on Matlab script language was developed and integrated to the system setup in order to control the test equipment. The setup allows for simultaneous measurements and data acquisitions. The setup can perform recovery time measurements in time domain, can measure the reflected power and also monitor the drain current of the LNA. A pulse signal is used as overdrive signal to stress the LNA with high-power levels, which can be variously defined in width and period according to the target application. This overdrive signal can also be monitored and measured during the recovery time characterization. The core of the measurement system is an PNA-X vector network analyzer, which allows the characterization of small-signal gain recovery time. The reflected power is measured using a power sensor, while the drain current is monitored using an oscilloscope. In order to validate the system setup, three different GaN LNAs were used. Finally, the system was extended to work also for 5 GHz frequency band. The results shown in this thesis enables for innovative future research activities on robust LNAs. N2 - Obwohl rauscharme Verstärker (LNA) für die Verstärkung niedriger HF-Leistungspegel ausgelegt sind, kann es vorkommen, dass sie als Empfänger für Front-End-Systeme und elektronische militärische Anlagen hohe HF-Leistungen empfangen. Diese hohen Leistungspegel sind in der Regel nicht erwünscht. Die rauscharmen HEMT-Verstärker auf GaN-Basis gelten als etablierte Technologie, die in verschiedenen Anwendungen für Telekommunikationssysteme und Radargeräte eingesetzt werden. Die GaN-basierten LNAs können hohe HF-Eingangsleistungen aushalten und bleiben dennoch funktionsfähig. Diese robusten LNAs auf GaN-Basis weisen einige Vorteile auf, da keine Limiter für den Schutz vor hohen HF-Eingangsleistungen benötigt werden. Es ist jedoch bekannt, dass GaN-HEMTs-LNAs signifikante Memory-Effekte aufweisen, die auch eine negative Rolle spielen, wenn der LNA einen hohen HF-Eingangsleistungspegel empfängt und ihn in die Kompression bringt. Nach der Beeinträchtigung der LNA's Funktion, benötigt dieser eine gewisse Zeit, um zu seinem normalen Kleinsignalbetrieb zurückzukehren. Diese Zeit wird als Erholungszeit bezeichnet. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Implementierung eines neuartigen Messaufbaus, der geeignet ist, die GaN-basierten robusten LNAs und ihre Erholungszeit zu charakterisieren. Der gesamte Aufbau wurde so programmiert, dass er ferngesteuert arbeitet, die Messung durchführt und die Ergebnisse automatisch speichert. Eine auf Matlab-Skriptsprache basierende Software wurde entwickelt und in den Systemaufbau integriert, um die Messgeräte zu steuern. Der Messaufbau ermöglicht gleichzeitige Messungen und Datenerfassungen. Der Aufbau kann Erholungszeitmessungen im Zeitbereich durchführen, die reflektierte Leistung messen und auch den Drainstrom des LNA erfassen. Ein Pulssignal wird als Übersteuerungssignal verwendet, um den LNA mit hohen Leistungspegeln zu belasten, die je nach Anforderung, in Breite und Periode unterschiedlich definiert werden können. Dieses Übersteuerungssignal kann auch während der Charakterisierung der Erholungszeit erfasst und gemessen werden. Um den Messaufbau zu verifizieren, wurden drei verschiedene GaN-LNAs verwendet. Zunächst wurden zwei GaN-LNAs getestet, die für das X-Band entwickelt wurden. Ein LNA wurde mit einer traditionellen zweistufigen Topologie hergestellt. Der zweite wurde als robuster LNA auf der Grundlage der Stacked-Technologie entwickelt. Diese LNAs wurden mit der GaN-Prozesslinie der Ferdinand-Braun-Institut gGmbH (FBH) hergestellt. Schließlich wurde das Messsystem weiterentwickelt, dass es auch im 5-GHz-Frequenzband funktioniert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse ermöglichen innovative zukünftige Forschungsaktivitäten an robusten LNAs. KW - Amplifier KW - LNA KW - Robust KW - GaN KW - Microwave KW - Rauscharmer Verstärker KW - Robustheit KW - Überlastfall KW - MMIC KW - RF und Mikrowellentechnik KW - MMIC KW - Rauscharmer Verstärker KW - Galliumnitrid KW - HEMT KW - Überlast Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-68446 ER -