Le applicazioni commerciali nel settore delle comunicazioni personali e wireless, nei sistemi di telerilevamento e RADAR, nonché per l’elettronica di bordo satellitare ed avionica, richiedono all’elettronica di front-end prestazioni sempre più stringenti sia in termini di banda utilizzata che di potenza di uscita e di basso rumore. Tali richieste impongono da un lato la rivisitazione critica e l’adeguamento delle metodologie di progetto sin qui utilizzate per lo sviluppo dei sistemi a microonde/onde millimetriche, e dall’altro spingono alla ricerca di tecnologie e di dispositivi attivi in grado di soddisfare i requisiti operativi di densità di potenza a millimetro (mm) e bassa rumorosità. Rivolgendo l’attenzione alle applicazioni ad ampio segnale, le prestazioni in termini di potenza di uscita sono essenzialmente dettate dalle limitazioni fisiche imposte dal dispositivo attivo. In maggiore dettaglio, le escursioni della corrente di uscita dei transistori sono limitate dalla conduzione diretta della giunzione tra i terminali di Gate e Source e dallo strozzamento del canale attivo (pinch-off), mentre le escursioni della tensione di uscita sono confinate tra il breakdown del dispositivo e la sua zona ohmica. E’ evidente, quindi, che l’aumento delle capacità di generazione di potenza passa necessariamente per l’aumento della corrente massima sostenuta dal dispositivo, nella condizione di canale completamente aperto, e l’aumento della tensione di breakdown. Il primo approccio è di norma seguito, una volta ottimizzata la tecnologia del dispositivo, dall’aumento della periferia complessiva di Gate dello stesso (ovvero scalando le dimensioni complessive), fino a raggiungere i livelli di corrente massimi ammissibili dalla stessa tecnologia costruttiva. Per aumentare ulteriormente la potenza di uscita si deve quindi passare necessariamente per l’aumento della tensione di breakdown del dispositivo. Tale tensione massima è limitata essenzialmente dal livello del campo elettrico raggiunto nella regione compresa tra i terminali di Gate e di Drain, che tende normalmente a raggiungere valori molto elevati, determinando successivamente l’instaurarsi di fenomeni distruttivi. Per la realizzazione di Field Effect Transistor (FET) ad alta tensione di breakdown (High Breakdown Voltage, HBV) la ricerca mostra oggi due differenti approcci: l’utilizzo di nuovi semiconduttori, detti ad ampio Gap, (Wideband Gap, WBG) come i FET in Nitrurio di Gallio (GaN), oppure la costruzione di particolari strutture realizzative del terminale di Gate, come il Field Plate (FP), applicabile sia ai FET in Arseniuro di Gallio (GaAs) sia in GaN. L’applicabilità di entrambi gli approcci al panorama commerciale dell’elettronica ad alta frequenza dipende principalmente dalla comprensione dei fenomeni fisici che avvengono in tali dispositivi attivi, e che tale comprensione sia opportunamente accompagnata da una precisa caratterizzazione e da un’accurata modellistica. La fase di caratterizzazione insieme alla fase di modellazione di FET è, infatti, il punto di partenza per determinare la fattibilità e l’implementazione di un qualsiasi apparato elettronico utilizzante tecnologie innovative. La misura e la modellistica di dispositivi sono quindi due aree di ricerca che progrediscono in parallelo, ma nelle quali i progressi dell’una si traducono immediatamente in progressi dell’altra, essendo tra loro strettamente correlate. In questo contesto la tesi di Ricerca svolta ha come obiettivo l’analisi delle prestazioni di potenza e di rumore dei nuovi HBV FET in GaAs ed in GaN e lo studio e l’ottimizzazione delle fasi di caratterizzazione e modellistica ad essi associati. In questo lavoro di ricerca si descrive e si analizza nel Capitolo 1 la fase di caratterizzazione lineare effettuata su tali dispositivi attivi. In particolare sono presentate le prestazioni in termini di Guadagno, frequenze di taglio e Fattori di Rumore minimo delle due differenti tecnologie attraverso un banco automatico di misure a parametri [S] ed un banco di misura Cold-Source Pull. Nel Capitolo 2 è presentato il lavoro di modellistica lineare effettuato nei tre anni di Dottorato ed orientato alle applicazione a basso rumore su dispositivi in tecnologia GaN. In questo Capitolo sono quindi descritte e commentate le metodologie comunemente utilizzate per l’estrazione dei modelli a circuito equivalente. Tali metodologie sono state quindi applicate per la realizzazione di un modello a temperatura equivalente di rumore relativo ad un FET in tecnologia GaN sul quale sono stati effettuati come validazione Cold-Source Pull di rumore. Nel Capitolo 3 si rivolge l’attenzione alla caratterizzazione non lineare delle tecnologie HBV. In questo ambito è necessario individuare innanzitutto il metodo più accurato per determinare la massima corrente dei dispositivi attivi a RF, primo parametro assieme alla tensione di breakdown necessario per una corretta stima della densità di potenza a mm. E’ quindi descritto un nuovo approccio, alternativo ai sistemi di misura impulsati, per il rilevamento delle correnti dinamiche di dispositivi attivi. Tale metodologia è stato applicata a FET in tecnologia HBV in GaAs. Affianco al banco implementato per la caratterizzazione delle curve I/V a RF, si descrive un banco di Source-Load Pull utilizzato per caratterizzare in potenza gli HBV FET in analisi. Tale banco permette di stimare le densità di potenza a mm associate alle nuove tecnologie. Infine, nel Capitolo 4 è analizzato e commentato il lavoro di modellistica non lineare effettuato su HBV FET in GaN. Tale lavoro è stato finalizzato alla realizzazione di un modello non lineare seguendo l’approccio a circuito equivalente, validato dalle fasi di caratterizzazione descritte nel Capitolo 3. L’implementazione del modello ha inoltre fornito uno strumento molto utile durante la fase di progettazione di apparati elettronici ad elevata potenza ed alta linearità. Applicata l’analisi di Volterra a tale modello, si è definito un nuovo approccio di progettazione che consente di massimizzare le prestazioni di linearità di amplificatori di Potenza non riducendo le prestazioni di potenza saturata. Tale metodologia è stata validata tramite misure di Load-Pull armonico.

Nanni, A. (2009). Caratterizzazione e modellistica di transistori ad alta frequenza per applicazioni a basso rumore ed ad alta potenza.

Caratterizzazione e modellistica di transistori ad alta frequenza per applicazioni a basso rumore ed ad alta potenza

NANNI, ANTONIO
2009-08-06

Abstract

Le applicazioni commerciali nel settore delle comunicazioni personali e wireless, nei sistemi di telerilevamento e RADAR, nonché per l’elettronica di bordo satellitare ed avionica, richiedono all’elettronica di front-end prestazioni sempre più stringenti sia in termini di banda utilizzata che di potenza di uscita e di basso rumore. Tali richieste impongono da un lato la rivisitazione critica e l’adeguamento delle metodologie di progetto sin qui utilizzate per lo sviluppo dei sistemi a microonde/onde millimetriche, e dall’altro spingono alla ricerca di tecnologie e di dispositivi attivi in grado di soddisfare i requisiti operativi di densità di potenza a millimetro (mm) e bassa rumorosità. Rivolgendo l’attenzione alle applicazioni ad ampio segnale, le prestazioni in termini di potenza di uscita sono essenzialmente dettate dalle limitazioni fisiche imposte dal dispositivo attivo. In maggiore dettaglio, le escursioni della corrente di uscita dei transistori sono limitate dalla conduzione diretta della giunzione tra i terminali di Gate e Source e dallo strozzamento del canale attivo (pinch-off), mentre le escursioni della tensione di uscita sono confinate tra il breakdown del dispositivo e la sua zona ohmica. E’ evidente, quindi, che l’aumento delle capacità di generazione di potenza passa necessariamente per l’aumento della corrente massima sostenuta dal dispositivo, nella condizione di canale completamente aperto, e l’aumento della tensione di breakdown. Il primo approccio è di norma seguito, una volta ottimizzata la tecnologia del dispositivo, dall’aumento della periferia complessiva di Gate dello stesso (ovvero scalando le dimensioni complessive), fino a raggiungere i livelli di corrente massimi ammissibili dalla stessa tecnologia costruttiva. Per aumentare ulteriormente la potenza di uscita si deve quindi passare necessariamente per l’aumento della tensione di breakdown del dispositivo. Tale tensione massima è limitata essenzialmente dal livello del campo elettrico raggiunto nella regione compresa tra i terminali di Gate e di Drain, che tende normalmente a raggiungere valori molto elevati, determinando successivamente l’instaurarsi di fenomeni distruttivi. Per la realizzazione di Field Effect Transistor (FET) ad alta tensione di breakdown (High Breakdown Voltage, HBV) la ricerca mostra oggi due differenti approcci: l’utilizzo di nuovi semiconduttori, detti ad ampio Gap, (Wideband Gap, WBG) come i FET in Nitrurio di Gallio (GaN), oppure la costruzione di particolari strutture realizzative del terminale di Gate, come il Field Plate (FP), applicabile sia ai FET in Arseniuro di Gallio (GaAs) sia in GaN. L’applicabilità di entrambi gli approcci al panorama commerciale dell’elettronica ad alta frequenza dipende principalmente dalla comprensione dei fenomeni fisici che avvengono in tali dispositivi attivi, e che tale comprensione sia opportunamente accompagnata da una precisa caratterizzazione e da un’accurata modellistica. La fase di caratterizzazione insieme alla fase di modellazione di FET è, infatti, il punto di partenza per determinare la fattibilità e l’implementazione di un qualsiasi apparato elettronico utilizzante tecnologie innovative. La misura e la modellistica di dispositivi sono quindi due aree di ricerca che progrediscono in parallelo, ma nelle quali i progressi dell’una si traducono immediatamente in progressi dell’altra, essendo tra loro strettamente correlate. In questo contesto la tesi di Ricerca svolta ha come obiettivo l’analisi delle prestazioni di potenza e di rumore dei nuovi HBV FET in GaAs ed in GaN e lo studio e l’ottimizzazione delle fasi di caratterizzazione e modellistica ad essi associati. In questo lavoro di ricerca si descrive e si analizza nel Capitolo 1 la fase di caratterizzazione lineare effettuata su tali dispositivi attivi. In particolare sono presentate le prestazioni in termini di Guadagno, frequenze di taglio e Fattori di Rumore minimo delle due differenti tecnologie attraverso un banco automatico di misure a parametri [S] ed un banco di misura Cold-Source Pull. Nel Capitolo 2 è presentato il lavoro di modellistica lineare effettuato nei tre anni di Dottorato ed orientato alle applicazione a basso rumore su dispositivi in tecnologia GaN. In questo Capitolo sono quindi descritte e commentate le metodologie comunemente utilizzate per l’estrazione dei modelli a circuito equivalente. Tali metodologie sono state quindi applicate per la realizzazione di un modello a temperatura equivalente di rumore relativo ad un FET in tecnologia GaN sul quale sono stati effettuati come validazione Cold-Source Pull di rumore. Nel Capitolo 3 si rivolge l’attenzione alla caratterizzazione non lineare delle tecnologie HBV. In questo ambito è necessario individuare innanzitutto il metodo più accurato per determinare la massima corrente dei dispositivi attivi a RF, primo parametro assieme alla tensione di breakdown necessario per una corretta stima della densità di potenza a mm. E’ quindi descritto un nuovo approccio, alternativo ai sistemi di misura impulsati, per il rilevamento delle correnti dinamiche di dispositivi attivi. Tale metodologia è stato applicata a FET in tecnologia HBV in GaAs. Affianco al banco implementato per la caratterizzazione delle curve I/V a RF, si descrive un banco di Source-Load Pull utilizzato per caratterizzare in potenza gli HBV FET in analisi. Tale banco permette di stimare le densità di potenza a mm associate alle nuove tecnologie. Infine, nel Capitolo 4 è analizzato e commentato il lavoro di modellistica non lineare effettuato su HBV FET in GaN. Tale lavoro è stato finalizzato alla realizzazione di un modello non lineare seguendo l’approccio a circuito equivalente, validato dalle fasi di caratterizzazione descritte nel Capitolo 3. L’implementazione del modello ha inoltre fornito uno strumento molto utile durante la fase di progettazione di apparati elettronici ad elevata potenza ed alta linearità. Applicata l’analisi di Volterra a tale modello, si è definito un nuovo approccio di progettazione che consente di massimizzare le prestazioni di linearità di amplificatori di Potenza non riducendo le prestazioni di potenza saturata. Tale metodologia è stata validata tramite misure di Load-Pull armonico.
A.A. 2008/2009
Ingegneria delle Telecomunicazioni e Microelettronica
21.
caratterizzazione; Volterra; FET; dispersione; modello
Settore ING-INF/03 - Telecomunicazioni
Italian
Tesi di dottorato
Nanni, A. (2009). Caratterizzazione e modellistica di transistori ad alta frequenza per applicazioni a basso rumore ed ad alta potenza.
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