新型氮化镓晶体管可将输出功率提升至三倍

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富士通和富士通实验室已成功开发出一种可在氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)中提供高电流和高电压的晶体管,有效地将用于微波频段发射器的晶体管的输出功率提高三倍。
 
富士通的晶体结构通过将施加的电压分散到晶体管来改善工作电压,从而防止晶体损坏(专利申请中)。这项技术使富士通能够成功地实现世界上最高的功率密度,每毫米栅极宽度为19.9瓦,用于采用铟 - 铝 - 氮化镓(InAlGaN)阻挡层的GaN HEMT。
 
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晶体损伤的机理和新开发的晶体结构。
 
GaN HEMT技术可以作为天气雷达等设备的功率放大器 - 通过将开发的技术应用于该领域,预计雷达的观测范围将扩大2.3倍,从而能够及早发现会发展成暴雨积雨云。
 
为了扩大雷达等设备的观测范围,必须增加功率放大器中使用的晶体管的输出功率。然而,对于传统技术,施加高电压可能容易损坏构成晶体管的晶体。因此,技术上难以同时增加电流和电压,这是实现高输出功率GaN HEMT所需的。
 
近年来,GaN HEMT已广泛用作远程无线电波应用中的高频功率放大器,例如雷达和无线通信。预计它们将用于天气雷达以准确地观察局部暴雨,以及用于第五代移动通信(5G)的毫米波段无线通信。通过增加用于发射机的高频GaN HEMT功率放大器的输出功率,可以扩展用于雷达和无线通信的微波和毫米波波段的微波辐射。这允许扩展的雷达观测范围以及更长距离和更高容量的通信。
 
为了提高晶体管的输出功率,需要实现高电流和高电压操作。正在研究用于下一代GaN HEMT的铟 - 铝 - 氮化镓(InAlGaN)HEMT,其将有助于增加电流,因为InAlGaN HEMT可以增加晶体管内的电子密度。然而,当施加高电压时,过量的电压集中在电子供给层的一部分上,损坏晶体管内的晶体。因此,这些晶体管存在严重的问题,因此它们的工作电压不能增加。
 
对于传统的InAlGaN HEMT,栅极和漏极之间的所有施加电压都施加到电子供给层,并且在电子供给层中产生许多具有高动能的电子。随后,这些电子会猛烈地撞击构成晶体结构的原子,造成损害。由于这种现象,晶体管的最大工作电压受到限制。
 
通过插入新开发的高电阻AlGaN间隔层,晶体管内的电压可以分散在电子供给层和AlGaN间隔层上。通过减轻电压浓度,可以抑制晶体内电子的动能增加,并且可以防止对电子供给层的损坏,从而提高高达100伏的工作电压。如果源电极和栅电极之间的距离是1厘米,则该操作电压对应于超过300,000伏。
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