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Diese Arbeit behandelt das Verhalten von GaN HEMT-Hochleistungs Transistoren in bezug auf Intermodulations-verzerrungen. Die Grundlage bildet eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der verschiedenen physikalischen Parameter auf die Intermodulationsprodukte 3. Ordnung, die auf dem Großsignalmodell und auf physikalischen Bauelementesimulationen beruht. Zur Charakterisierung der Linearität der Transistoren wurde ein komplexes Messsystem aufgebaut, bei dem u.a. an der drainseitigen Versorgungsquelle eine elektronische Sicherung implementiert ist, die die Zerstörung des Messobjekts bei kritischen Betriebszuständen verhindert. Als dominierende Ursache der Intermodulations-verzerrungen in GaN HEMTs wurde die arbeitspunktabhängige Charakteristik der Steilheit identifiziert, währenddessen Drain-Source-Kapazität und Kontaktwiderstände nur geringen Einfluss haben. Die physikalischen Parameter, die das Steilheitsverhalten bestimmen, werden ermittelt und optimierte Strukturen for hohe Linearität vorgeschlagen. Neben der Charakterisierung und der Analyse von konventionellen Designs wird eine neuartige Baulelementearchitektur für sehr hohe Linearität vorgestellt. Abschließend wird das Potential von GaN HEMTs in einer hybriden Verstärkerstruktur gezeigt und die resultierende Kombination aus hoher Leistung, hoher Linearität und niedriger Rauschzahl demonstriert.
This work treats intermodulation distortion performance of GaN HEMT high-power transistors. A detailed study on the physical parameters influencing third-order intermodulation distortions is carried out, based on the large-signal model and on physical device simulation. Devices are characterized in terms of linearity by setting up a sophisticated measurement system. Among others, an electronic fuse is used at the drain side to avoid catastrophic failure during measurement. The bias-dependent transconductance characteristic is identified as the dominating source for intermodulation distortion in GaN HEMTs, while drain-source capacitance and access resistances have only minor influence. The corresponding physical parameters governing the transconductance behavior are determined and optimized structures for high linearity are proposed. Besides characterization and analysis of conventional designs, a novel device architecture for very high linearity is presented. Finally, performance of GaN HEMTs within a hybrid amplifier configuration is shown and the combination of high power, high linearity, and low-noise characteristics is highlighted.
