專欄文章

在行動電話中砷化鎵(GaAs)異質接面雙極性電晶體(Heterojunction bipolar transistor，HBT)功率放大器一直都有極大的佔有率。未來走到5G毫米波行動通訊，GaAs功率放大器與CMOS功率放大器的特性比較起來有哪些差異呢？

在這篇文章中，我們整理了幾篇使用砷化鎵(GaAs)高電子移動率電晶體(HEMT，high electron mobility transistor)製程所開發之28 GHz頻段的功率放大器^[1]-[7]。HEMT早在1980年就被提出來^[8]，由於其操作速度快，兼具有低雜訊與合理的輸出功率，因此在早期毫米波積體電路主要是使用砷化鎵或磷化銦(InP)等材料所製作之HEMT來開發。

操作電壓 (Operation Voltage)

在這篇文章中所列出的參考文獻，除了一篇2003年的文獻是使用200 nm GaAs pHEMT(pseumorphic HEMT)製程來設計功率放大器^[1]，近幾年的參考文獻主要都是採用150 nm GaAs pHEMT製程來開發應用於5G毫米波的28 GHz功率放大器，其操作電壓大概落在4 V到6 V之間^[2]-[7]。相較於28 nm 到 90 nm CMOS電晶體的操作電壓是落在0.9 V 到1.2 V。因此，GaAs pHEMT功率放大器可以使用較低的直流電流達到相同的輸出功率。

基板 (Substrate)

除了操作電壓較高之外，GaAs pHEMT製程的另一個優勢是基板(substrate)損耗較低。GaAs本身為半絕緣的材料，所以在GaAs晶片上的傳輸線(transmission line)與螺旋電感(spiral inductor)相較於在一般矽基晶片上的元件品質因子(quality factor)較高。因此在GaAs晶片上設計功率放大器所需的匹配網路，可以有較低的損耗。對於可以達到的輸出功率與操作效率也有一定的影響。

與CMOS功率放大器相同，GaAs功率放大器所採用的提升輸出功率的技術包括直接並聯功率結合技術^[1]，與電晶體堆疊技術^[2]，或兩者並用^{[3]-[4], [7]}。也有使用變壓器功率結合技術的功率放大器^[5]。此外，為了提升功率放大器回退功率(power back-off)的操作效率，Doherty技術也被應用在5G 毫米波功率放大器的設計中^{[5], [7]}。

表一所列為使用GaAs pHEMT製程來開發28 GHz附近的功率放大器特性比較表^[1]-[7]，我們可以看到GaAs pHEMT功率放大器的輸出功率可以達到25 dBm，大多可以達到27 dBm (0.5 W)以上的輸出功率^[2]-[5]，甚至可以超過36 dBm (4 W) ^[1]。而CMOS功率放大器的輸出功率則大多在20 dBm以下，多數在15 dBm左右。GaAs pHEMT功率放大器的功率附加效率多數也可以達到37%以上^[2]-[4]，甚至達到42%^[7]。FoM的部分，由於GaAs pHEMT功率放大器的輸出功率較高，所以都可以在83以上。

表一、28 GHz GaAs pHEMT功率放大器比較表

5G毫米波系統採用相位陣列技術，因此單一功率放大器的輸出功率要求不高。CMOS功率放大器將可應用於行動裝置上，而GaAs功率放大器則可應用於行動通訊基站端與固定無線接入(fixed wireless access)。

參考文獻

[1]  F. Y. Colomb and A. Platzker, “2 and 4 Watt Ka-band GaAs PHEMT power amplifier MMICs,” in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., June 2003.

[2]  D. P. Nguyen, T. Pham, B. L. Pham and A.-V. Pham, “A high efficiency high power density harmonic-tuned Ka-band stack-FET GaAs power amplifier,” in IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS) Dig., Nov. 2016.

[3]  D. P. Nguyen and A.-V. Pham, “An ultra compact watt-level Ka-band stacked-FET power amplifier,” IEEE Microwave Wireless Components Letters, vol. 26, pp. 516-518, July 2016.

[4]  D. P. Nguyen, T. Pham, and A.-V. Pham, “A Ka-band asymmetrical stacked-FET MMIC Doherty power amplifier,” in IEEE Radio-Frequency Integrated Circuits Symp. Dig., 2017, pp. 398-401.

[5]  D. P. Nguyen, J. Curtis, and A.-V. Pham, “A Doherty amplifier with modified load modulation scheme based on load-pull data,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 66, no. 1, pp. 227-236, Jan. 2018.

[6]  V. Qunaj and P. Reynaert, “A compact Ka-band transformer-coupled power amplifier for 5G in 0.15um GaAs,” IEEE BiCMOS and Compound semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS) Dig., Nov. 2019.

[7]  D. P. Nguyen, B. L. Pham, and A. V. Pham, “A compact Ka-band integrated Doherty amplifier with reconfigurable input network,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 67, no. 1, pp. 205-215, Jan. 2019.

[8]  T. Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii, and K. Nanbu, “A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGa1-xAs Heterojunctions,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 19, no. 5, pp. L225-L227, May 1980.