Electrical equivalent circuit modeling of active components is one of the most important approaches for modeling high-frequency high-power devices. Amongst the most used microwave devices, AlGaN/GaN HEMTs demonstrated their superior performance, making them highly suitable for 5G, wireless and satellite communications. Despite the remarkable performance of AlGaN/GaN HEMTs, these devices reside on substrates that invoke limitations on the operating-frequency, power-efficiency, and current dispersion phenomenon. Also, there is a limitation in present parameters extraction techniques being not able to consider both the substrate effect (Silicon, Silicon Carbide, and Diamond) and the asymmetrical GaN HEMT structure. In this thesis work, a single extrinsic parameters extraction technique using a single small-signal topology takes into account both the asymmetrical GaN HEMT structure and the different substrate types with their parasitic conduction will be developed and studied for the first time. Moreover, large-signal modeling using Quasi-Physical Zone Division technique has been applied to both GaN/D and GaN/SiC to model the isothermal-trapping free drain current, and combined with a new simple technique for comparing performance between active devices in terms of current-dispersion. The models were verified by simulating the small-signal S-parameters, large-signal IV characteristics, and single-tone load-pull. High accuracy was achieved compared to the measurement data available in the technical literature and obtained from fabricated devices.

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Yes / This work integrates a harmonic tuning mechanism in synergy with the GaN HEMT transistor for 5G mobile transceiver applications. Following a theoretical study on the operational behavior of the Class-F power amplifier (PA), a complete amplifier design procedure is described that includes the proposed Harmonic Control Circuits for the second and third harmonics and optimum loading conditions for phase shifting of the drain current and voltage waveforms. The performance improvement provided by the Class-F configuration is validated by comparing the experimental and simulated results. The designed 10W Class-F PA prototype provides a measured peak drain efficiency of 64.7% at 1dB compression point of the PA at 3.6GHz frequency.

Modern RF and millimeter-wave communication links call for high-efficiency front end systems with high output power and high linearity to meet minimum transmission requirements. Advanced modulation techniques, such as orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) require a large power amplifier (PA) dynamic range due to the high peak-to-average power ratio (PAPR). This thesis provides the analysis, design, and experimental verification of a high-efficiency, high-linearity S-band Doherty power amplifier (DPA) based on the Class F PA. Traditional Class F PAs use harmonically tuned output matching networks to obtain up to 88.4% power-added efficiency (PAE) theoretically, however the amplifier experiences poor linearity performance due to switched mode operation, typically yielding less than 30dB C/I ratio [1]. The DPA overcomes this linearity limitation by using an auxiliary amplifier to boost output power when the amplifier is subject to a high input power due to its limited conduction cycle. The DPA also provides improved saturated output power back-off performance to maintain high PAE during operation. The DPA presented in this thesis optimizes PAE while maintaining linearity by employing harmonically tuned Class F amplifier topology on a primary and an auxiliary amplifier. A Class F PA is first designed and fabricated to optimize output network linearity – this is followed by a DPA design based on the fabricated Class F PA. A GaN HEMT Class F PA and DPA operating at 2.2GHz are implemented with the PAs measuring 40% and 45% PAE respectively while maintaining a 30dB carrier-to-intermodulation (C/I) ratio on a two-tone test. The PAE is characterized at maximum 21dBm input power per tone and 20MHz tone spacing. When subject to a single 24dBm continuous wave input tone, the Class F PA and DPA output 37dBm and 35.5dBm respectively. The PAs presented in the thesis provide over 30dB C/I ratio up to 21dBm input tones while maintaining over 40% PAE suitable for base station applications.

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L’évolution des systèmes de télécommunications, liée à une demande sans cesse croissante en termes de débit et de volume de données, se concrétise par le développement de systèmes proposant des bandes passantes très larges, des modulations à très hautes efficacités spectrales, de la flexibilité en puissance et en fréquence d’émission. Par ailleurs, la mise en œuvre de ces dispositifs doit se faire avec un souci permanent d’économie d’énergie d’où la problématique récurrente de l’amplification de puissance RF qui consiste à allier au mieux rendement, linéarité et bande passante. L’architecture conventionnelle d’une chaine d’émission RF consiste dans une première étape à réaliser l’opération de modulation-conversion de fréquence (Modulateur IQ) puis dans une deuxième étape l’opération de conversion d’énergie DC-RF (Amplificateur de Puissance), ces deux étapes étant traditionnellement traitées de manière indépendante. L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer une approche alternative qui consiste à combiner ces deux opérations dans une seule et même fonction : le modulateur vectoriel de puissance à haute efficacité énergétique. Le cœur du dispositif, conçu en technologie GaN, repose sur un circuit à deux étages de transistors HEMT permettant d’obtenir un gain en puissance variable en régime de saturation. Il est associé à un modulateur de polarisation multi-niveaux spécifique également en technologie GaN. Le dispositif réalisé a permis de générer directement, à une fréquence de 2.5 GHz, une modulation vectorielle 16QAM (100Msymb/s) de puissance moyenne 13 W, de puissance crête 25W avec un rendement global de 40% et une linéarité mesurée par un EVM à 5%. / The evolution of telecommunications systems, linked to a constantly increasing demand in terms of data rate and volume, leads to the development of systems offering very wide bandwidths, modulations with very high spectral efficiencies, increased power and frequency flexibilities in transmitters. Moreover, the implementation of such systems must be done with a permanent concern for energy saving, hence the recurring goal of the RF power amplification which is to combine the best efficiency, linearity and bandwidth. Conventional architectures of RF emitter front-ends consist in a first step in performing the frequency modulation-conversion operation (IQ Modulator) and then in a second step the DC-RF energy conversion operation (Power Amplifier), these two steps being usually managed independently. The aim of this thesis is to propose an alternative approach that consists in combining these two operations in only one function: a high efficiency vector power modulator. The core of the proposed system is based on a two-stage GaN HEMT circuit to obtain a variable power gain operating at saturation. It is associated with a specific multi-level bias modulator also design using GaN technology. The fabricated device generates, at a frequency of 2.5 GHz, a 16QAM modulation (100Msymb/s) with 13W average power, 25W peak power, with an overall efficiency of 40% and 5% EVM.

L’essor et l’évolution des systèmes de télécommunication sont liés inéluctablement à la montée en fréquence et à l’augmentation des bandes passantes des futurs systèmes d’une part, et à une place sans cesse croissante prise par l’électronique numérique dans les chaînes d’émission/réception d’autre part. Concernant ce deuxième aspect, la génération de puissance RF avant émission est encore à ce jour implémentée de façon analogique, mais la gestion énergétique des amplificateurs de puissance RF est de plus en plus assistée numériquement. L’apparition du ‘numérique’ dans le domaine de la puissance RF se traduit par la mise en œuvre de systèmes électroniques fonctionnant en commutation : modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking, convertisseurs numérique-analogique de puissance (Power-DAC) ou amplificateurs en commutation à fort rendement (classe S ou D). C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse : deux dispositifs de commutation originaux à base de transistors GaN HEMT sont présentés, analysés et réalisés en technologie MMIC. Ces cellules de commutation élémentaires permettent, jusqu’à des fréquences de quelques centaines de MHz, de commuter des tensions jusqu’à 50V, avec des puissances de l’ordre de 100W, ceci avec un rendement énergétique supérieur à 80%. Ces cellules de commutation sont ensuite utilisées dans diverses applications : deux types de modulateurs de polarisation destinés à l’envelope tracking ainsi que deux architectures d’amplificateurs classe D (demi-pont et pont en H) sont étudiés et les résultats expérimentaux permettent de valider ces différentes topologies. / Telecommunication systems development is linked to working frequency and bandwidths increasement of future systems on one hand, and the growing place taken by digital electronics in the transmission chains on the other hand. Concerning the second point, the RF power generation in emitters is still implemented in an analog way, but the energy management of the RF power amplifiers is more and more assisted by numeric devices. The appearance of the 'digital technology' in the field of RF power is characterized by the implementation of high speed switching electronic systems like bias modulators for envelope tracking, power digital to analog converters (Power-DAC) or switching mode RF amplifiers (Classe S or D). This thesis work fits in this context, it describes two original switching devices based on GaN HEMT transistors. These elementary switching cells are realized in MMIC technology, they allow switching frequencies up to few hundreds MHz, with voltages reaching 50V, powers about 100W and energy efficiency greater than 80%. These switching cells are then used in various applications: two kinds of bias modulators for envelope tracking system as well as two architectures of class D amplifiers (half-bridge and full-bridge) are analyzed and validated by experimental results.

Ce travail de thèse se concentre sur l'évaluation de la fiabilité des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN / GaN à grille ultra-courte sur substrat silicium dédiés aux applications de puissance à une fréquence supérieure à 40GHz. Il a été réalisé au sein des laboratoires IMS Bordeaux et IEMN Lille.Ce travail compare initialement les HEMT AlGaN / GaN réalisés par croissance MOCVD avec ceux obtenus par croissance MBE. En particulier, l'analyse électrique statique a permis d'étudier l'influence de la géométrie des dispositifs sur les performances des composants.Des tests de vieillissement accéléré ont été effectués pour évaluer la robustesse des transistors HEMTs en AlGaN/GaN à grille ultra-courte sur Si. Une méthodologie basée sur une séquence d'essais de vieillissement a été définie pour établir le diagnostic in-situ d’une dégradation statique et permanente et d’une dégradation qui se traduit par un transitoire de courant de drain au cours du chaque palier de la séquence de vieillissement. La valeur de la tension critique de dégradation à partir de laquelle le courant de drain commence à diminuer de façon significative dépend des conditions de polarisation du vieillissement, de la distance grille-drain et de la longueur de grille. De plus, l’aire de sécurité de fonctionnement de cette technologie a été déterminée. / This Ph.D. work focuses on the reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on silicon substrate dedicated to power applications at frequency above 40GHz. It was carried out within IMS Bordeaux and IEMN Lille laboratories.This work initially compares AlGaN/GaN HEMTs grown by MOCVD with those grown using MBE, through electrical characterization.In particular, the device geometry impact on the device performances has been studies by static electrical characterization.Step-stress experiments are performed to investigate reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on Si substrate. A methodology based on a sequence of step stress tests has been defined for in-situ diagnosis of a permanent degradation and of a degradation which is identified by a drain current transient occurring during each step of the ageing sequence . The same stress conditions were applied on HEMTs with different geometries. It is found no evolution of the drain current during non stressful steps. The value of the critical degradation voltage beyond which the stress drain current starts to decrease significantly is also found dependent on the stress bias conditions, the gate-drain distance and the gate length. Moreover, the safe operating area of this technology has been determined.