Tecnología de transistores de microondas basados en Nitruro de Galio (GaN) para aplicaciones Radar

El siguiente artículo estudia las características de los principales materiales utilizados en la actualidad para la fabricación de transistores de microondas como son Silicio (Si), Arseniuro de Galio (GaAs), Carburo de Silicio (SiC) y Nitruro de Galio (GaN) y describe como condicionan la operación del transistor cuando se requieren potencias de salida altas, del orden de cientos y miles de vatios, habitualmente las necesarias en aplicaciones Radar. Se mostrará como los transistores de microondas fabricados con GaN son adecuados para aplicaciones de alta potencia debido a las superiores propiedades físicas y químicas de estos semiconductores.

Si además añadimos las modernas técnicas de polarización de alta eficiencia, los transistores fabricados con la tecnología de Nitruro de Galio se perfilan como los candidatos idóneos para ser utilizados en los transmisores de sistemas Radar. La gran mayoría de los transmisores Radar requieren dispositivos activos que puedan generar una potencia de salida de RF del orden de kilovatios e incluso de megavatios. Habitualmente se utilizan para estas aplicaciones dispositivos basados en tubos de ondas progresivas. Sin embargo, estos dispositivos son voluminosos, caros y pueden tener problemas de fiabilidad. Aunque los amplificadores basados en semiconductores tienen a priori más eficiencia, han estado hasta ahora limitados por el voltaje que se podía aplicar al dispositivo debido al crítico campo de ruptura inherente a estos materiales, lo que hace que se requiera una corriente muy alta y también un mayor tamaño. Trabajar con una corriente de operación alta disminuye la eficiencia debido a las pérdidas y al hecho de que los dispositivos de gran tamaño presentan una alta capacitancia y muy baja impedancia limitando así la frecuencia de operación y el ancho de banda. La tecnología de GaN es ahora capaz de ofrecer una solución a este problema.

Los amplificadores de estado sólido están ya reemplazando a los de tubos de ondas progresivas (TWTA, Traveling Wave Tube Amplifiers) en algunas aplicaciones de microondas de alta potencia. Sin embargo, las bajas tensiones de operación hacen que el circuito asociado sea muy grande lo que implica un dispositivo más complejo a la vez que reduce el yield de producción y la fiabilidad. Las tecnologías de semiconductores de banda prohibida ancha (WBG, Wide Band Gap) como el GaN pueden alcanzar densidades de potencia cinco veces mayores que las de los transistores convencionales de GaAs tanto de efecto de campo como bipolares de heterounión. La ventaja final es la reducción de la complejidad del circuito, mayor ganancia y eficiencia, y también una mayor fiabilidad. En particular, los sistemas Radar se beneficiarán del desarrollo de esta tecnología.

El GaN es el futuro

El desarrollo de semiconductores de banda prohibida ancha, tales como el GaN o aleaciones basadas en GaN, ofrece la posibilidad de fabricar dispositivos activos de RF, especialmente transistores de potencia HEMT (High Electron Mobility Transistor), con una potencia de salida significativamente mayor. Esta mejora en la potencia de salida de RF se debe a las especiales propiedades de este material, de entre otras destacan: alto campo de ruptura, elevado valor de saturación de la EDV (velocidad de Drift de los electrones) y cuando se utilizan sustratos de SiC, mayor conductividad térmica. Los datos mostrados en la Tabla 1 permiten comparar los materiales Si, GaAs, SiC y GaN. La mayor conductividad térmica del SiC y del GaN reduce el aumento de temperatura de la unión debido al autocalentamiento. El campo de ruptura de cinco a seis veces mayor del SiC y del GaN da ventaja a estos materiales frente al Si y el GaAs para dispositivos de potencia de RF. El SiC es un material de banda prohibida ancha (3.2eV) pero tiene una movilidad de electrones baja, lo cual dificulta su uso en amplificadores de alta frecuencia. El SiC está también limitado porque las obleas de este material son caras, pequeñas y de baja calidad.

Aunque la movilidad de los portadores es significativamente mejor en los dispositivos de GaAs, la alta velocidad de pico y de saturación de la EDV de los HEMT de GaN compensa su relativa menor movilidad permitiendo su utilización a altas frecuencias. Estas ventajas del GaN sumadas a la alta linealidad y al bajo ruido de las arquitecturas HEMT abren las puertas a estos dispositivos para su utilización en la fabricación de amplificadores Radar de alta potencia.

Una ventaja adicional de los HEMT de GaN radica en el gran offset de energía entre la banda de conducción del GaN y la capa barrera de AlGaN. Esto permite un aumento significativo de la densidad de portadores en el canal en los HEMT basados en GaN con respecto a otros materiales (hasta 1013cm-2 y más). Si sumamos la posibilidad de utilizar un mayor voltaje conseguimos un aumento en la densidad de potencia. La densidad de potencia es un parámetro muy importante para los dispositivos de alta potencia ya que cuanto mayor es menor es el tamaño del dado y más sencillas son adaptaciones de entrada y salida. En la Figura 1 se muestra el rápido progreso de la densidad de potencia de RF frente al tiempo para un FET (Field-Effect Transistor) de GaN en Banda X.

Los altos voltajes de operación y las altas densidades de potencia que se alcanzan con los dispositivos de RF de banda prohibida ancha ofrecen muchas ventajas en el diseño, fabricación y montaje de amplificadores de potencia en comparación con las tecnologías de LDMOS (Lateral Double-Difusse MOS) de Silicio o la de MESFET (Metal Epitaxial Semicon-ductor Field Effect Transistor) de GaAs. La tecnología HEMT de GaN ofrece una alta potencia por ancho de canal unitario, lo cual se traduce en dispositivos más económicos y de menor tamaño para la misma potencia de salida, esto no sólo hace que sean más fáciles de fabricar sino que aumenta la impedancia de los dispositivos. El alto voltaje de operación que se consigue con la tecnología de GaN elimina la necesidad de convertidores de tensión y por consiguiente reduce también el coste final del sistema.

El camino está claro

La Figura 2 muestra una gráfica de la potencia de salida frente a la frecuencia para los dispositivos de estado sólido y tubos de microondas que constituyen el actual estado del arte.
Históricamente, lo amplificadores de tubo, tales como los controlados por rejillas, magnetrones, kystrones, tubos de onda progresiva y amplificadores de campos cruzados (CFA, Cross Field Amplifier) han sido usados como amplificadores de potencia en los transmisores Radar.

Estos amplificadores generan alta potencia pero habitualmente trabajan con ciclos de trabajo (duty cicle) bajos. Los amplificadores de Klystron ofrecen mayor potencia que los magnetrones a frecuencias de microondas y también permiten el uso de formas de onda más complejas. Los tubos de onda progresiva son similares a los klystrones pero con mayores anchos de banda. Los CFA se caracterizan por tener grandes anchos de banda, poca ganancia y ser compactos.

Los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA, Solid State Power Amplifier) soportan pulsos largos y formas de onda con altos ciclos de actividad. A pesar de que los elementos utilizados en los SSPA tienen individualmente poca amplificación de potencia pueden combinarse para conseguirla. Los transistores bipolares de Silicio, los MESFET de Arseniuro de Galio y los PHEMT (Pseudomorphic HEMT) de Arseniuro de Galio son algunos de los elementos utilizados en los SSPA. Los HEMT de GaN pueden ser combinados para crear un SSPA con una potencia media de salida mayor y por consiguiente un mayor rango de detección del Radar.
Como se puede ver en la Figura 2, los transistores de estado sólido producen niveles de potencia de RF menores de 200 vatios en Banda S y su salida va decreciendo a medida que aumentamos la frecuencia. La potencia de salida de RF de los FETs de GaAs se acerca a los 50 vatios en banda S y a aproximadamente a 1 vatio en banda Ka1. Los FETs de GaAs tienen una la potencia de salida limitada principalmente por la baja tensión de ruptura del drenador1. Los dispositivos semiconductores fabricados con materiales de mayor banda prohibida, tales como el GaN, ofrecen unas prestaciones significativamente mejores.

Con el paso del tiempo han ido apareciendo diferentes figuras de mérito que permiten evaluar los distintos semiconductores con potencial para ser utilizados en aplicaciones que requieren alta potencia a altas frecuencias de trabajo. Mediante estas figuras de mérito se pretende aunar las propiedades más relevantes de los materiales en un valor cualitativo. Así la figura de mérito de Johnson (JFOM = ECR vsat/p) tiene en cuenta el campo de ruptura ECR y la saturación de la EDV Vsat. Como puede verse en la Figura 3, la figura de mérito de Johnson para el GaN es por lo menos 15 veces la del GaAs.

Aethercomm cree que si la tendencia de crecimiento del GaN se mantiene al ritmo actual, el comportamiento previsto para los HEMT de GAN en el año 2010 será el representado en la Figura 4. El GaN pronto superará a todos sus competidores.

La eficiencia es la clave

Los sistemas Radar más modernos utilizados en aplicaciones militares demandan nuevos requerimientos para los amplificadores de potencia de RF debido a la necesidad de reducir el tamaño, peso y coste. Los mayores cambios en las especificaciones se centran cada vez más en mejorar la eficiencia del amplificador para reducir los requerimientos de potencia DC y mejorar la fiabilidad del sistema a través de una menor disipación de potencia del componente. Los dispositivos de microondas basados en tecnologías de banda prohibida ancha y alta eficiencia permitirán además aumentar las prestaciones del sistema

La capacitancia parásita y el alto voltaje de ruptura de los HEMT de GaN les hace ideales para funcionar en modos de amplificación de alta eficiencia clase E y clase F. Ambos modos tienen una eficiencia teórica del 100 %. Recientemente, algunos fabricantes de transistores de GaN han implementado amplificadores híbridos de clase E. Resultados típicos obtenidos son 10 vatios de potencia de salida en banda L con eficiencias comprendidas entre el 80% y 90%.
Aethercomm ha entregado recientemente un módulo amplificador de clase F para Banda L. La potencia de salida deseada debía superar los 50 vatios con una eficiencia del 60% para todo el amplificador. Debido a los plazos tan ajustados del programa fue necesario utilizar transistores estándar encapsulados en lugar de desarrollar una solución híbrida a medida.
La etapa final del amplificador de potencia se implementó utilizando un par balanceado de HEMT encapsulados de GaN trabajando en clase F. Las redes de adaptación incluyendo las terminaciones armónicas necesarias para la operación en clase F fueron diseñadas considerando inicialmente un modelo ideal del transistor. A continuación se introdujeron las inductancias y las capacitancias parásitas del encapsulado del transistor y se modificaron las redes de adaptación para mantener las terminaciones armónicas requeridas a nivel del transistor en dado. Posteriormente se simuló el amplificador utilizando un modelo no lineal del transistor y se modificaron las redes de adaptación para optimizar eficiencia y potencia.

Se construyó un prototipo en configuración single-ended para la etapa de salida de clase F. Se obtuvo una eficiencia de drenador del 75%, una potencia de salida de 40 vatios y una ganancia de 16 dB con un ajuste mínimo. Los resultados fueron muy similares a los obtenidos en la simulación. No había disponibles dispositivos de GaN de baja potencia adecuados para la etapa de driver, se diseñó uno de tres etapas utilizando MESFET de GaAs que trabajaban en clase A. Inicialmente se creía que las etapas del driver deberían haber trabajado en un modo de alta eficiencia para así alcanzar la PAE (Power Added Efficiency) requerida; sin embargo, los análisis indicaron que con un dimensionado adecuado de los transistores la operación en clase A era permisible. El driver tuvo una ganancia de 40 dB y un consumo de potencia de 10 vatios.
La configuración final del amplificador de potencia tuvo una PAE de pico del 63% y una potencia de salida de 75 vatios. El amplificador tenía una potencia de salida de 65 vatios y un 61% de PAE a P2dB. La Tabla 2 muestra las características del amplificador para distintos valores de potencia de salida. Debido a que la etapa final de clase F está polarizada en el umbral, sin corriente de drenador, el amplificador ofrece un amplio rango de funcionamiento para potencias bajas. La ganancia del amplificador alcanza un pico y después comienza a comprimirse cuando se alcanza la máxima potencia de salida. La Tabla 2 muestra la eficiencia de este diseño para distintas potencias de salida.
Aethercomm también ha desarrollado un dispositivo HEMT de GaN de 200 vatios sobre sustrato de SiC diseñado para maximizar la PAE y mantener una alta potencia de salida para una frecuencia de operación de 1215 MHz a 1390 MHz. Se observaron eficiencias mayores del 56% mientras se mantenía niveles de potencia de salida en exceso de 205 vatios de P3dB.
Muchos SSPA para aplicaciones Radar son diseñados con dispositivos semiconductores de RF configurados para trabajar en clase C. Esta forma de polarización proporciona una operación muy eficiente para una etapa de un único transistor, sin embargo, el transistor de clase C tiene una ganancia tan baja, típicamente 6 dB, que la ventaja ganada en la eficiencia se pierde al necesitarse muchas etapas adicionales de ganancia para alcanzar la potencia deseada de salida.

Conclusión

Los futuros sistemas Radar tales como los basados Radar de phase-array activo requerirán de forma creciente SSPA cada vez más eficientes y pequeños. El deseo de lograr barridos extremadamente rápidos, rangos de detección mayores, la posibilidad de localizar y seguir un gran número de objetivos, una baja probabilidad de ser interceptado y la posibilidad de funcionar como un inhibidor requerirán una tecnología de transistores innovadora y rentable. Recientes desarrollos en el campo de los HEMT de GaN han hecho posible diseñar amplificadores de una gran eficiencia a frecuencias de microondas. Los dispositivos HEMT de GaN proporcionan una alta corriente de pico con una baja capacitancia de salida así como un voltaje de ruptura y una densidad de potencia extremadamente alta. Esta combinación única de características permite a los diseñadores conseguir amplificadores con unas prestaciones en conjunto muy superiores a las logradas con dispositivos basados en las tecnologías alternativas existentes en la actualidad