In this work the HEMPT-transistors made of various semiconductor materials with the gate length of 0.2-0.25 µm and width of 200-300 µm have been considered and their characteristics have been compared. The current-voltage and farad-voltage characteristics and also the dependences of small signal S parameters on frequency have been measured. On the basis of the measurements the computer models of transistors: for GaAs - MATERKA, for GaN EEHEMT - have been developed. The adequacy of the developed models has been confirmed by the coincidence of the measured frequency of the parameter | S 21 | and the calculated low-signal power gain. The frequency properties of the manufactured transistors have been studied. In the schemes of linear amplifiers the limit of the oscillation frequency, on which the power amplification is lost, has been calculated. The modeling has shown the possibility of linear amplification for frequencies up to 64 GHz of GaAs transistors and 73 GHz of GaN transistors. In order to determine the maximum possible amplified oscillation frequencies the amplifier circuits with an optimized load of transistors have been designed. The maximum oscillation frequencies of the manufactured transistors a are close to ~ 82 GHz. The power parameters of the transistors have been compared. Small signal coefficients of transistors amplification power are equal and are ~15 dB at frequencies of L and S ranges. The highest drain currents for both transistors in the operation non-sparing regime were 0.34 A/mm with voltage on drain 3 V. To determine the maximum power added efficiency (PAE), the scheme of the nonlinear amplifiers, calculated for a frequency of the amplified oscillations 3 GHz has been developed. The highest PAE was 57 % for GaAs and 65 % for GaN. Taking into account that the electric field strength breakdown in GaN is several times higher that that one in GaAs, the possibility to achieve the efficiency of the transistor from GaN, exceeding 80 %, has been shown. The obtained results are useful for development of microwave monolithic integrated circuits for power amplifiers up to frequencies, including V-range.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования HEMT-структур на основе GaAs и GaN, направленные на совершенствование микроволновых монолитных интегральных схем. В работе представлены HEMT-транзисторы, изготовленные на основе GaAs и GaN с длиной затвора 0,2-0,25 мкм, шириной затвора 200-300 мкм и проведено сравнение их характеристик. Измерены вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, а также зависимости от частоты малосигнальных S -параметров. Проведено компьютерное моделирование с использованием моделей MATERKA для GaAs-транзистора и EEHEMT для GaN-транзистора. Адекватность разработанных моделей подтверждена совпадением измеренных частотных зависимостей параметра | S 21| и рассчитанного малосигнального коэффициента усиления мощности. Изучены частотные свойства изготовленных транзисторов. В схемах линейных усилителей рассчитаны предельные частоты колебаний, на которых пропадает усиление мощности. Моделирование показало возможность линейного усиления на частотах до 64 ГГц для GaAs-транзистора и 73 ГГц для GaN-транзистора при одинаковых напряжениях питания. С целью определения максимально возможных усиливаемых частот колебаний спроектированы схемы усилителей с оптимизированной нагрузкой транзисторов. Максимальные частоты колебаний изготовленных транзисторов близки и составили ~82 ГГц. Проведено сравнение энергетических возможностей транзисторов. Малосигнальные коэффициенты усиления мощности транзисторов одинаковы и составляют ~15 дБ на частотах L - и S -диапазонов. Наибольшие токи стока для обоих транзисторов в щадящем режиме работы составили 0,34 А/мм при напряжении на стоке 3 В. Для определения максимальных КПД добавленной мощности разработаны схемы нелинейных усилителей, рассчитанные на частоту усиливаемых колебаний 3 ГГц. Наибольший КПД добавленной мощности составил 57 % для GaAs-транзистора и 65% для GaN-транзистора. С учетом того, что напряженность электрического поля пробоя в GaN-транзисторе в несколько раз выше, чем в GaAs-транзисторе, показана возможность достижения КПД GaN-транзистора, превышающего 80 %. Полученные результаты полезны для разработки микроволновых монолитных интегральных схем усилителей мощности до частот, включая V -диапазон.