氮化镓功率器件的特点和应用分析

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随着第三代半导体技术的迅速发展,氮化镓(GaN)功率器件迎来了快速发展期,从半导体器件的发展历程可以看到,半导体器件发展的几次飞跃都是与同时期的几种半导体材料的出现密切相关。首先,硅(Si)材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展,日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的出现。而后,砷化镓(GaAs)材料的研究使半导体的应用进入光电子学领域,利用砷化镓材料及与其类似的一些化合物半导体,如磷化铟(InP)等制造出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到了不可替代的作用,由此也带来了VCD 和多媒体等的飞速发展。这两代半导体器件在微波功率领域也占据着举足轻重的地位。

1氮化镓功率器件的特点

以Si 材料为代表的第一代半导体功率器件在VHF、UHF、L 波段、S 波段中,雷达发射功率器件已经全面替代真空管器件,其中L 波段及以下波段硅半导体功率器件的脉冲输出功率达几百瓦,L波段以下功率已过千瓦,S 波段输出功率可达350W。GaAs 半导体功率器件最高工作频率可达30GHz~100GHz,输出功率较小。上世纪中期开始研究的第三代半导体材料氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC) 等。这些材料的共同特点是它们的能带间隙在3.2 到3. 4eV 之间,是GaA s 和Si 能带间隙的二至三倍。

本文重点讨论氮化镓功率器件在阵列雷达收发系统中的应用。下面结合半导体的物理特性,对氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的特点加以说明。

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(1)输出功率高,附加效率高
GaN HEMT 的发展得益于宽禁带半导体AlGaN/GaN 异质结材料系统,从表1 可见 GaN 的击穿场强高,比Si 和GaAs 高出数倍。具有相对低的本
征载流子产生率,由于在该异质结界面上存在自发极化和压电极化效应,两维电子气浓度很高,同时电子饱和速度较高AlGaN /GaN 异质结外延生长于宽禁带材料SiC 半绝缘衬底上,该衬底热导率优于金属铜。 其良好的散热特性有利于高功率工作[2]。GaN HEMT 还具有低寄生电容及高击穿电压的特性,非常适合实现高效率放大器。

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氮化镓器件的散热效率

(2)长脉宽,高占空比

GaN HEMT 通常外延生长于宽禁带材料SiC半绝缘衬底上,该衬底热导率优于金属铜,适当控制GaN HEMT 的功率密度可轻松实现长脉宽,高占空比,在大功率连续波工作均可实现。

(3)工作频带宽,工作频率高

GaN HEMT 的截止频率直接决定了其应用的工作频率和瞬时带宽,它随沟道的掺杂浓度增加而上升,虽沟道的厚度和栅长的增加而下降[ 3 ]。由于Si半导体材料禁带能量的限制,其截止频率较低,因此Si 半导体功率器件的工作频率只能在S 波段以下工作。GaAs 器件具有比其它器件好很多的载流子迁移率,截止频率很高,但受击穿场强的限制,工作电压低,导致器件输出功率小,GaN HEMT 具有宽的禁带能量、高击穿场强和高饱和电子漂移速度的特性,补偿了这一不足而获得好的高频性能,GaN HEMT 可以工作在更高频率同时能有高输出功率。另外,GaN HEMT 的固有特性使得其输入输出阻抗较高,电路的宽带阻抗匹配更加容易实现,使得GaN HEMT 适合宽带应用。

(4)抗辐照能力强,环境适应性强

GaN 是极稳定的化合物,具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ—Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好。使得GaN 器件比Si 和GaAs 有更强抗辐照能力,同时GaN 又是高熔点材料,热传导率高,GaN功率器件通常采用热传导率更优的SiC做衬底,因此GaN 功率器件具有较高的结温,能在高温环境下工作。

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CREE Ku波段70W 氮化镓

2阵列雷达对收发系统的要求

氮化镓功率器件具有工作频带宽、输出功率大、效率高等特点,特别适合于阵列雷达收发系统中应用,根据阵列雷达工作的自身特点,应用氮化镓功率器件有以下几点值得重点关注[ 3 ] 。

(1) 良好的饱和工作能力

阵列雷达收发系统通常由多级功率放大器级联组成,为了把每一级的差异对最后输出的影响减到最小,要求每一级都工作在饱和区,同时关注饱和状态下的可靠性指标。

(2) 输出脉冲前后沿

阵列雷达一般都是在脉冲状态下工作,脉冲前后沿与雷达系统的时序、测量精度密切相关,如果前后沿太大可能引起时序混乱。

(3) 输出脉冲顶降

放大器的输出脉冲顶降和许多因素有关,在保证放大器状态正常和外围电路设计良好的情况下,主要是GaN HEMT 工作时自身产生的顶降。

(4) 谐波抑制

在大规模的阵列雷达系统,由于发射在空间的辐射功率比较大,其谐波也会对一些电子设备产生干扰,因此对二次谐波甚至三次谐波都有严格的要求。

(5) 输出功率平坦度

阵列雷达通常不是在单一频点下工作,也不是通讯模式下的几个频点同时工作,而是宽带变频和跳频工作,有时频率在脉冲内随时间线性变化,则放大器的输出功率具有相应的频率响应特性。

(6) 相位稳定性

对阵列雷达而言,器件的相位稳定性直接影响雷达发射波瓣方向图的形成,相位稳定性在阵列雷达显得尤为重要。

(7) 脉间噪声

此处脉间噪声是指雷达工作在接收状态时,发射机产生的噪声,脉间噪声直接影响雷达的探测威力。

(8) 抗驻波能力和驻波状态下的稳定性

由于氮化镓器件的击穿电压较高,其抗驻波能力也相应较好,但由于增益较高,负载失配情况下易不稳定,一般要求在VSWR ≤3 的情况下相关指标仍能满足要求。

3氮化镓功率器件的应用分析

通过阵列雷达对收发系统的要求可见,对于氮化镓功率器件在阵列雷达收发系统中如何应用,选择哪一类放大器的偏置,采用哪一种外围电路等与此息息相关。同时许多要求与实现方式又是环环相扣,有时不得折中考虑,以下主要从放大器工作类型、偏置电路和调制电路的选取加以分析。

(1)放大器工作类型的选取

在S 波段频率范围内的硅双极晶体管(BJT)通常为C 类自偏置工作,晶体管只需要一个集电极电压,当输入端的射频摆动电压超过发射极-基极结的内电位时,晶体管才吸取集电极电流,其集电极电流受到基极-发射极结之间流动的电流所控制。当雷达处于接收状态时,器件未被驱动,此时放大器不吸取静态直流电流,放大器没有功率耗散,处于截至状态,这类放大器特别适合阵列雷达收发系统的应用。电路简单,尤其是不需多加处理就可实现脉间噪声小这一要求,但这类放大器同时也存在弊端,与GaN HEMT 相比,工作频率较低,单级增益小,附加效率不高,不能在长脉宽、高占空比状态下使用。与BJT 不同的是GaN HEMT 通常偏置在A 类或AB 类工作,其偏置状态受栅源之间的偏置电压控制,属电压控制器件。这种工作方式对小信号仍有较高的增益,而阵列雷达发射和接收通路之间虽有一定的隔离度,但产生的漏信号经过多级联放大后,能量被放大致使雷达无法正常工作。因此,需要从偏置状态和电源调制来考虑解决这一问题。

(2)电源调制电路的选取

GaN HEMT 和GaAs FET 类似,栅极为负偏电压,采用漏极电源调制的方式,在接收期间关断放大器的电源,来确保雷达接收期间噪声要求,即脉间噪声。GaN HEMT 漏极工作电压高,输出功率大,因此,完全借鉴GaAs FET 的使用经验,是不够的,甚至出现系统不能正常工作。在GaAs FET作发射使用时,发射功率不高(通常在瓦级),环路增益相对较低,通过射频开关可以实现较好的收发隔离。而采用了GaN HEMT 通常发射功率很大(百瓦级以上),如果每级放大都偏置在A 类工作时,环路小信号增益非常高,在高集成的收发系统中收发隔离度难以控制,微小的扰动可以引起收发系统不稳定,因此在用GaN HEMT 实现发射级联时,需要适当调整偏置状态来控制小信号的增益来保证雷达收发系统稳定工作。偏向B 类C 类工作时,静态电流会减小,增益降低,采用漏极电源调时,静态电流的减小还可导致脉冲的下降沿变差,在雷达PD 处理时下降沿变差等于增加了模糊距离,也是系统难以接受的,因此可采取部分偏C类工作和部分A 类漏极电源调制工作相结合,综合考虑小信号增益,下降沿时间和脉间噪声,找出合适的平衡点是关键。

4可靠应用氮化镓功率器件途径

提高GaN HEMT 的击穿电压、减小高工作电压下器件的射频电流偏移是提高GaN HEMT 可靠工作的有效途径。GaN HEMT 制作中提高器件击穿电压的一个重要措施就是在栅上引入场调制板(Field-Modulation Plate)等专门技术,场板的引入能有效降低栅极在漏端附近的电场强度[4],从而提高器件的击穿电压。脉冲工作的发射放大器会消耗很大的直流电流,设计时需要特别注意漏极偏置的寄生电感,因为它能产生很高的电压尖峰,从而导致GaN HEMT损坏。

结束语

综上所述,由于氮化镓功率器件具有许多优良性能,并在阵列雷达收发系统中得到应用,本文主要从阵列雷达应用设计出发点来阐述了氮化镓功率器件在阵列雷达收发系统中的应用考虑和分析,由于篇幅所限,不能面面俱到,但对阵列雷达收发系统的设计具有较强的针对性和指导性,可供广大阵列雷达收发系统工程设计人员参考。

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