AlGaN-GaN HEMT功率器件建模研究及高效率放大器設(shè)計.pdf

1、隨著無線通信和雷達(dá)探測等領(lǐng)域的快速發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備對微波功率晶體管的工作頻率和功率密度等方面的要求越來越高。與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有更高的耐壓性能、更快的電子遷移率、更高的熱導(dǎo)率以及更好的抗輻射性能，因此成為半導(dǎo)體器件研究的熱點(diǎn)。其中，由于GaN功率器件具有更好的高頻性能和更高的功率品質(zhì)因子，使得它比 SiC器件在高頻大功率的應(yīng)用上有著更為廣闊的發(fā)展前景。目前，GaN功率器件的制備

2、已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但其建模工作卻相對滯后。GaN功率器件的模型在電路設(shè)計中起著關(guān)鍵性作用，模型的適用性和準(zhǔn)確性對微波電路設(shè)計結(jié)果有著非常重要的影響。與傳統(tǒng)功率器件相比，AlGaN/GaN HEMT在溝道形成和電流密度上都存在不小差異。目前的功率器件模型對其自熱效應(yīng)和非線性特性的描述還存在一定誤差，這在一定程度上限制了GaN功率器件的發(fā)展。為加速GaN功率器件的應(yīng)用，改進(jìn)電路設(shè)計，促進(jìn)GaN功率器件全面發(fā)展，急需對GaN功率器件進(jìn)行建模

3、研究。本文對AlGaN/GaN HEMT功率器件的關(guān)鍵特性進(jìn)行了分析，圍繞功率器件的經(jīng)驗基模型展開研究，改進(jìn)了非線性等效電路模型；拓展了建立表格模型的思路；在X參數(shù)和Volterra級數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了功率器件的Volterra級數(shù)描述公式；并以等效電路模型為基礎(chǔ)，設(shè)計了GaN高效率放大電路。具體研究內(nèi)容包括：
　　1. AlGaN/GaN HEMT功率器件等效電路模型
　　針對AlGaN/GaN HEMT微波器件小信號等效

4、電路參量多，數(shù)值提取復(fù)雜的特點(diǎn)，將待定系數(shù)法引入計算公式，配合優(yōu)化軟件，提高了小信號等效電路的預(yù)測精度。根據(jù)AlGaN/GaN HEMT微波器件電流電壓曲線和芯片表面溫度分布特性，以 Angelov大信號模型為基礎(chǔ)，對非線性電流和電容公式進(jìn)行了改進(jìn)，使新電流模型能夠描述不同柵壓時電流隨漏壓增加而上升或下降的趨勢，反映溫度對漏極電流的影響，預(yù)測了靜態(tài) I-V曲線的自熱效應(yīng)和溫度分布效應(yīng)。并且將公式嵌入ADS軟件中，形成完整的等效電路模型，

5、對AlGaN/GaN HEMT功率器件的電流特性、頻率特性和輸出性能進(jìn)行了仿真，與實測結(jié)果對比顯示，新的大信號非線性模型可以提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　2. K最鄰近算法為基礎(chǔ)的AlGaN/GaN HEMT功率器件表格模型
　　AlGaN/GaN HEMT功率器件的黑匣子表格模型無需考慮器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理，可以用純數(shù)學(xué)運(yùn)算對器件進(jìn)行建模和預(yù)測，因此能夠充分運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，有效保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。但其建模過程需要大量測試數(shù)據(jù)，算

6、法代碼往往比較復(fù)雜。本文以漏極電流數(shù)據(jù)和 S參數(shù)為基礎(chǔ)，建立了非線性等效元件數(shù)據(jù)庫，根據(jù)放大器的特點(diǎn)將K最鄰近算法做了改進(jìn)，建立了GaN HEMT功率器件表格模型，節(jié)約了建模數(shù)據(jù)，簡化了模型結(jié)構(gòu)，結(jié)合泰勒級數(shù)提取放大器的非線性元件數(shù)值，配合寄生元件和線性元件對輸出特性進(jìn)行計算，預(yù)測精度較高。
　　3. X參數(shù)和Volterra級數(shù)為基礎(chǔ)的AlGaN/GaN HEMT放大器模型
　　X參數(shù)在頻域內(nèi)能夠精確描述器件各個端口，每個

7、頻率分量之間的數(shù)值關(guān)系，但難以對器件時域特性進(jìn)行描述。Volterra級數(shù)對器件的時域和頻域特性描述都很準(zhǔn)確，但提取過程太繁雜。本文將X參數(shù)和Volterra級數(shù)相結(jié)合，以AlGaN/GaN HEMT功率放大器的 X參數(shù)為基礎(chǔ)，提取 Volterra核函數(shù)，得到時域和頻域的Volterra級數(shù)模型，很好的描述和預(yù)測了放大器的時域和頻域特性，節(jié)省了測試工作量，獲得了較好的預(yù)測精度。
　　4.以等效電路模型為基礎(chǔ)的GaN HEMT高效

8、率放大電路設(shè)計與測試
　　以等效電路模型為基礎(chǔ)，設(shè)計了一組AB類50W GaN功率放大電路和基于諧波調(diào)制技術(shù)的10W GaN功率放大電路，為了直觀顯示GaN HEMT功率器件的效率提升幅度，設(shè)計了相似功率量級的 LDMOS功率放大電路。將電路仿真數(shù)據(jù)、GaN放大器和LDMOS放大器測試數(shù)據(jù)，以及近幾年發(fā)表的GaAs pHEMT功率放大器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，對比結(jié)果顯示等效電路模型具有較好的預(yù)測效果，同時直觀顯示了GaN功率器件較