GaN功率放大器的主要特征和特性及發(fā)展狀態(tài)評測

　　氮化鎵（GaN）功率半導體技術(shù)為提高RF/微波功率放大的性能水平作出了巨大貢獻。 通過降低器件的寄生參數(shù)，以及采用更短的柵極長度和更高的工作電壓，GaN晶體管已實現(xiàn)更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更好的DC轉(zhuǎn)RF效率。 例如，在2014 年，能支持8kW脈沖輸出功率的GaN工藝的X波段放大器已被驗證能在雷達系統(tǒng)應(yīng)用中替代行波管（TWT）和TWT放大器。到 2016年，預計會有很多這種支持32kW的固態(tài)GaN工藝的共V領(lǐng)放大器出現(xiàn)。在期待這些放大器的同時，我們將考察高功率 GaN放大器的一些主要特征和特性。不久前，GaN還是反射頻電子戰(zhàn)（CREW）應(yīng)用的首選技術(shù)，已有成千上萬的放大器交付實際使用。 現(xiàn)在，該技術(shù)也被部署到機載電子戰(zhàn)領(lǐng)域，開發(fā)中的放大器能夠在RF/微波范圍的多個頻帶上提供數(shù)百瓦的輸出功率。多款此系列的寬帶電子戰(zhàn)功率放大器將會在今年發(fā)布。后續(xù)研究方面包括改進高峰均功率比（PAPR）波形的線性度，此類波形被許多軍用通信系統(tǒng)采用，包括通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）、寬帶網(wǎng)絡(luò)波形（WNW）、軍用無線電波形（SRW）和寬帶衛(wèi)星通信（satcom）應(yīng)用。 ADI公司的“比特轉(zhuǎn)RF”計劃將整合公司在基帶信號處理和GaN功率放大器（PA）技術(shù)方面的優(yōu)勢。 通過使用預失真和包絡(luò)調(diào)制等技術(shù)，這種整合將有利于提高PA線性度和效率。過去幾年發(fā)布的GaN器件既有分立式場效應(yīng)晶體管（FET），也有單芯片微波集成電路（MMIC），它們已廣泛用于高功率微波放大器系統(tǒng)。 此類器件有多家晶圓廠和器件制造商可以提供，通常采用100 mm碳化硅（SiC）晶圓制造。 硅上氮化鎵工藝也在考慮當中，但硅的熱導率和電導率相對較差，抵消了其在高性能、高可靠性應(yīng)用中的成本優(yōu)勢。 這些器件的柵極長度小至0.2 μm，支持在毫米波頻段工作。 在許多高頻應(yīng)用以及所有低頻應(yīng)用（除對成本最為敏感的應(yīng)用之外）中，基于GaN的器件已經(jīng)在很大程度上取代了砷化鎵（GaAs）和硅橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）器件。 RF功率放大器設(shè)計人員關(guān)注GaN器件，因為它們支持非常高的工作電壓（比GaAs高三到五倍），并且每單位FET柵極寬度容許的電流大致是GaAs器件的兩倍。 這些特性對PA設(shè)計人員有重要意義，意味著在給定輸出功率水平可以支持更高的負載阻抗。 以前基于GaAs或LDMOS的設(shè)計的輸出阻抗常常極其低（相對于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗而言）。 低器件阻抗會限制可實現(xiàn)的帶寬，也就是說，隨著放大器件與其負載之間的阻抗轉(zhuǎn)換比要求提高，元件數(shù)和插入損耗也會增加。 由于這種高阻抗，此類器件的早期使用者在某些情況下僅將一個器件安裝在不匹配的測試夾具中，施加直流偏置，并用RF/微波測試信號驅(qū)動該器件，便取得了部分成果。由于這些工作特性及其異常高的可靠性，GaN器件也適用于高可靠性空間應(yīng)用。 多家器件供應(yīng)商在225°C或更高的結(jié)溫下進行了壽命測試，結(jié)果表明單個器件的平均失效前時間（MTTF）超過一百萬小時。 如此高的可靠性主要是因為GaN具有很高的帶隙值（GaN為3.4，GaAs為1.4）， 這使得它特別適合高可靠性應(yīng)用。擴大GaN在高功率應(yīng)用中的使用的主要障礙是其制造成本相對較高，通常比GaAs高出兩到三倍，比Si LDMOS器件高出五到七倍。 這阻礙了它在無線基礎(chǔ)設(shè)施和消費者手持設(shè)備等成本敏感型應(yīng)用中的使用。 現(xiàn)在有了硅上氮化鎵工藝，雖然存在上面提到的性能問題，但這種工藝生產(chǎn)的器件可能最適合成本敏感型應(yīng)用。 在不久的將來，隨著GaN器件制造轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓（直徑150 mm及更大，目前有多家領(lǐng)先的GaN器件代工廠正在開發(fā)），成本有望降低50%左右。