Nichtlineares Rauschen in GaN-HFETs

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Heinrich; Professor Dr.-Ing. Matthias Rudolph
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 174939017

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Es wurde untersucht, wie sich das hochfrequente Rauschen von GaN-HEMTs in Gegenwart eines Störsignals mit Hilfe eines Schaltungssimulators voraussagen lässt. In einem ersten wichtigen Schritt konnte verifiziert werden, dass die vergleichsweise junge GaN-HEMT Technologie inzwischen ausgereift genug ist, sodass das Rauschverhalten durch die gängigen Modelle von Pospieszalski und Pucel beschrieben werden kann. In einem zweiten Schritt wurde das Rauschen in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt modelliert. Eine wesentliche Schwierigkeit stellte dabei die nach wie vor vorhandene Dispersion der GaN-HEMTs dar. Im Modell wurden einfache, traditionelle Ansätze zur Modellierung der Dispersion verwendet, wie sie das Chalmers (Angelov)-Modell bereits mitbringt. Die Rauschquellen hingegen wurden umformuliert, sodass das Rauschen nicht mehr anhand der Kleinsignalparameter gds und gm beschrieben wird, sondern in Abhängigkeit vom Drainstrom. So konnte der Einfluss der Unsicherheiten in der Modellierung des elektrischen Verhaltens auf das Rauschen minimiert werden. Abschließend wurde die 50-Ohm-Rauschzahl in Gegenwart eines Störers bei höherer Frequenz gemessen und simuliert. Es stellte sich heraus, dass das arbeitspunkt-abhängige Rauschmodell die Änderung der Rauschzahl mit steigendem Störsignalpegel gut beschreiben kann. Effekte höherer Ordnung, die z.B. das Ansetzen von zyklostationären Quellen notwendig machen würden, sind nicht beobachtet worden. Beide Modelltopologien (Pucel und Pospieszalski) sind gleichermaßen geeignet, obwohl die Rauschquellen jeweils anders platziert und beschrieben sind. Damit stehen nun verifizierte Modelle als Grundlage für den Entwurf rauscharmer Verstärker in GaN-HEMT-Technologie zur Verfügung.

Publications

• „Noise Modeling of GaN HEMT Devices,“ in: Dig. European Microwave Integrated Circuits Conf (EuMIC), 2012, pp. 159-162
  Matthias Rudolph, Ralf Doerner, Eric Ngnintedem, Wolfgang Heinrich
  
• „Towards a Large-Signal Noise Model for GaN HEMT Devices,“ in: Dig. European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMIC), 2013, pp.1455-1458
  Matthias Rudolph, Ralf Doerner
  
• „Bias-Dependent Pospieszalski Noise Model for GaN HEMT Devices,“ in: Dig. German Microwave Conference 2014
  Matthias Rudolph, Ralf Doerner
  
• „GaN HEMT Noise Model Performance under Nonlinear Operation“, angenommen zur Publikation im Digest der European Microwave Conference (EuMC) und European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), Rom, Oktober 2014
  Matthias Rudolph, Laurent Escotte, Ralf Doerner
  (See online at https://doi.org/10.1109/EuMC.2014.6986711)