从氮化镓晶体管表征到系统级应用：复杂而艰巨的旅程（原载于《微波杂志》24年9/10月号）
文摘
科技
2024-10-10 11:38
北京
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从氮化镓晶体管表征到系统级应用：复杂而艰巨的旅程
Nicolas Labrousse
and Wissam Saabe, AMCAD Engineering
电信业的发展经历了一系列重大变革，在高效射频功率放大器(PA)、5G及更先进的无线技术和物联网等关键领域取得了重大进展。这些进步得益于晶体管技术的不断改进，以及功率密度更高的GaN HEMT晶体管的日益广泛应用。这些发展带来了更高的集成度，并支持5G和6G应用所需的高频段。使用先进的设计工具和可靠的仿真软件，工程师可以准确、高效地开发初始设计。紧凑型模型以电测量结果为基础。这种建模方法的优点是执行速度快、可扩展性强，并且可以添加额外的影响因素。这些影响因素可能包括外部温度、自热以及捕获效应等。GaN HEMT晶体管的典型拓扑结构如图1所示。1 该模型由外在参数组成，考虑了栅极和漏极电容以及栅极、漏极和源极电阻和电感特性。该模型集成了处理电容、二极管和输出电流源的线性和非线性模型。附加的热模型可计算瞬时耗散功率。然后，通过多单元RC电路，利用耗散功率来评估结温变化。最后，还插入了一个捕获模型，用于根据捕获和发射等瞬态现象监控输出电流源。![]()
图1：AMCAD紧凑型建模工具预发布的GaN HEMT晶体管模型。值得一提的是，非线性建模使用的是Verilog-A代码。这一标准在许多EDA工具中得到广泛应用，便于在不同软件平台之间传输。有了紧凑的建模提取，就有必要进行各种类型的测量，以提取不同的模型参数。I-V特性对于估计射频功率晶体管的性能至关重要。2为了克服自热问题，表征是在脉冲模式测量中进行的。脉冲I-V系统与矢量网络分析仪(VNA)相结合，可获得每个脉冲偏置点的散射参数。利用这种技术，可以从所有I-V特性中提取线性模型，并推导出非线性模型。热效应是射频功率晶体管的关键问题。3在处理可能具有短期和长期记忆效应的调制信号时，这些效应尤为重要。目前已开发出测量这些热效应的电学方法。这些技术基于在不同卡盘温度下进行的脉冲和/或直流I-V测量。其目的是将导通电阻、栅极或漏极电流等给定参数作为耗散功率和卡盘温度的函数进行表征。陷阱现象是氮化镓HEMT晶体管需要考虑的另一个重要方面。陷阱对氮化镓技术的可实现性能有重大影响。这些陷阱来自晶格或表面的杂质或缺陷。采用脉冲模式测量技术可以在避免热效应的同时，对元件中陷阱引起的瞬态效应进行表征。
GaN HEMT晶体管的紧凑模型提取与仿真
提取紧凑型模型的过程是循序渐进的。这一过程涉及CAD软件，该软件可嵌入直流、交流、瞬态、谐波平衡和其他不同类型的仿真引擎。利用这些工具，
