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2010年6月 9日 (水)

GaN HEMTのはなし

GaN HEMT とは
GaN[窒化ガリウム]のHEMTです。最近増えてきた白色発光ダイオードの元になる GaN 素子を使い HEMTとして高周波パワー素子として多く開発されています。
ハード的には
高い電圧( 28V 〜50V程度)で動作させられるためパワーを出しても電流が少なくてすむこと(GaAs で 10V 10A 必要だった電源が、50V 2A で済むのでケーブルが細くできる)、チップ上の最大動作温度が高く(200°以上)、ベースとなる半導体の熱伝導がよいので面積あたりの出力が大きく取れる、などの利点を生かした高効率なアンプとして次世代携帯基地局などへの応用が進んでいます。
Ganssg右図は 4mmx 5mm 程度の大きさで 6W を出力する CREE の CGH40006P の試作ボードの小信号周波数特性を示しています。500MHzから 6GHz程度まで12dB程度のゲインを得ています。FETの特性上どうしても低周波域でゲインの盛り上がりが出てしまいます。帰還をかけてフラットにする事は出来ますが、パワーを上げるにつれて帰還抵抗の熱損失が大きくなること、大きい抵抗を使うと周波数特性が劣化するので、回路的に低い周波数を落とすような入力回路を構成したりします。
Ganpwegain次の図は出力パワーとゲインの比較です。周波数によってゲインは変わりますが、問題はパワーを出した時にゲインが落ちる程度が GaAS HEMTなどと違い早くから緩やかに落ちる点です。通常出力を評価する P1dB( 1dBゲインが落ちるパワー)でみると、3GHzで26dBm(400mW程度)しかありません。GaNはよく P3dB( 3dBゲインが落ちるパワー)で表されますが、これでは 36dBm(4W)程度出ることになります。しかしながら GaAsなどは P1dBからすぐに出力が飽和してしまうに比べて、GaN はその先も39dBm(8W)程度までダラダラパワーが出ているのが特徴です。このことは GaN HEMTは素子そのものでは直線性が悪く歪み率も良くないですが、ピークパワーが出ていることを利用して、歪み補償回路をつけると低歪みで高効率なアンプを作れます。最近のWiMaxなど通常パワーの16dB以上高いピークパワーを持っているOFDM信号などに対して、デジタルプリディストーション(補償回路)などの技術を利用して有効に開発されています。
ソフト的には
RFパワーデバイスは広帯域に使える素子は、パワーが小さいものになってしまします。広帯域なアンプは最近自動車の EMC 試験などで要求が高まっていますが、数GHzで100Wを超える高帯域なアンプを作るには上記のような小さいアンプを90°ハイブリッドなどのコンバイナーで合成する方法しかありません。それでもGaN HEMTの出現で高出力高帯域のアンプが作りやすくなっており、特に EMCのような飽和パワーで利用できるアンプの場合は有用です。


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コメント

GaAsなどは P1dBからすぐに出力が飽和してしまうに比べて、GaN はその先も39dBm(8W)程度までダラダラパワーが出ているのが特徴です。このことは GaN HEMTは素子そのものでは直線性が悪く歪み率も良くない。とありますが、GaAsとGaNの物性的などんな特徴からおきているのでしょうか?

物理的特徴としてGaAsとGaNでは例えば耐圧が GaAsが 0.4MV/cm にくらべ GaN が3MV/cmと高い電圧まで使える点、走行電子濃度が GaAsの10倍とかで小型にでき、高出力可能な点です。よく言われるのはバンドギャップが大きい・エネルギー密度が高いなどですが、確かに小さいチップで大きな出力が出ますのでその特徴を出す使い方として電流を流す A級での動作よりはAB級で電流をあまり流さないで効率良くパワーを出す用途向けに適化されているようです。電流を流してA級に近い使い方をしてリニアリティを良くすることもできますが(実際広帯域低ひずみアンプでは電源を 通常の50Vから 24Vぐらいに抑え、電流を多めに流して使いました)、デバイスが小型のため放熱が大変になったり、熱でゲインが落ち込み連続したパワーが出しにくくなったりします。
 用途としてはデジタル補償した高効率ドハティアンプや高出力パルスアンプ(レーダー)などに向いていると思いますし、リニアリティが必要な広帯域アンプではやはりGaAsを選択するのが良いかと思います。
 IEEEの初期の論議では、「GaNはまるで発振器がついた素子のようで、ある程度ドライブすると共振するようにドレイン側に出力する」と感想を述べた人がいました。
 

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