Bias-point pulsing system for RF power transistors’ characterization

Abstract

With the exponential evolution of mobile networks, the systems are demanded, not only to work at high power levels and to be more efficient, but also to operate at higher frequencies and with more bandwidth. For that, the scientific community is always trying to obtain the best performance possible for the mobile networks base stations. The efficiency limiting component of these base stations is the RF power amplifier, that is composed by a transistor capable of amplifying the signal that is wanted to transmit. Nowadays, the most used devices are the GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor), that allow operations with high power density and high bandwidth. However, these devices suffer from several dynamic phenomena that cause the current to collapse and, consequently, the reduction of the power delivery capability. To predict and try to compensate these dynamic behaviours, it is necessary to characterize the transistors in a state where these phenomena are known, which means that isodynamic measurements should be obtained. This work focuses on designing a system that allows to perform pulsed measurements on a transistor and that avoids temperature effects and other dispersive phenomena characteristic of the mentioned technology (known as trapping). For that, two circuits were developed: one for the transistor gate, with a voltage range from −10V to 2V, a maximum current of 2A and a settling time of 500 ns, and another for the transistor drain, with a maximum voltage of 160V, a current of, at least, 15A and a settling time of 4 μs. With this system, it was possible to analyse the impact of the temperature on the measurements, through the study of the pulse width and duty-cycle variation, and it was also possible to study the impact of the trapping, by applying the double pulse technique. As the trapping is a dynamic phenomenon, there are associated time constants that should be known, so it is possible to study the dynamic nature of the devices. Finally, to prove that the system could be used to characterize several devices, GaN HEMT transistors rated for different power values were characterized. In the end, it was possible to obtain their pulsed isodynamic I/V curves, as well as the time constants associated with the trapping effect. With all the obtained results, it was possible to conclude that the system is capable of performing the desired measurements needed to characterize a device, and that the dynamic of the mentioned effects is characteristic of each device, so it should always be carefully analysed.

Com a evolução exponencial das redes móveis, é exigido aos sistemas que, não só, operem com mais potência e que sejam mais eficientes, mas também que operem a frequências mais altas e com maior largura de banda. Para isto, a comunidade científica está dedicada a tentar obter o melhor desempenho possível para as estações base das redes móveis. O componente que domina o rendimento destas estações base é o amplificador de potência RF, composto por um transístor capaz de amplificar o sinal que se deseja transmitir. Hoje em dia, os dispositivos mais usados são os GaN HEMT (do inglês, Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor ), que permitem atingir grandes densidades de potência e grande largura de banda. Mas, estes dispositivos sofrem de diversos fenómenos dinâmicos que causam o colapso da corrente e, consequentemente, a diminuição da capacidade de entrega de potência. De modo a que se consiga prever e tentar compensar estes comportamentos dinâmicos, é necessário caracterizar os transístores num estado onde estes fenómenos sejam conhecidos, o que significa obter medidas isodinâmicas. Este trabalho foca-se em construir um sistema que permita efetuar medidas pulsadas num transístor e evitar que efeitos de temperatura e de outros fenómenos dispersivos inerentes da tecnologia mencionada (conhecidos como trapping, do inglês) apareçam. Para tal, foram desenvolvidos dois circuitos: um para porta do transístor, cuja gama de tensões é de −10V a 2V, a corrente máxima é de 2A e o tempo de estabelecimento é de 500 ns, e outro para o dreno do transístor, cuja tensão máxima é de 160V, a corrente ´e de, pelo menos, 15A e o tempo de estabelecimento é de 4 μs. Com este sistema, foi possível analisar o impacto da temperatura nas medidas, através do estudo da variação da largura de pulso e do duty-cycle, e estudar o efeito do trapping, aplicando a técnica do duplo pulso. Como o trapping é um fenómeno dinâmico, existem constantes de tempo associadas que devem ser conhecidas, para que se possa estudar a natureza da dinâmica presente nos dispositivos. Finalmente, para comprovar que o sistema pode ser usado para testar diversos dispositivos, foram caracterizados transístores GaN HEMT de diferentes potências. No fim, foi possível obter as suas curvas I/V isodinâmicas pulsadas, assim como os valores das constantes de tempo associadas ao efeito de trapping. Com todos os resultados obtidos, foi possível comprovar que o sistema é capaz de efetuar as medidas desejadas para a caracterização dos dispositivos, e que a dinâmica dos efeitos mencionados ´e dependente de cada transístor e deve ser sempre cuidadosamente analisada.