使用 GaN 器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的 5 個(gè)考慮因素
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圖 1：典型的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）結(jié)構(gòu)
偏置序列
通常，大多數(shù) AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件在零偏置時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即開(kāi)啟狀態(tài)。這意味著它們是耗盡型（D 模式）器件。在開(kāi)啟漏極電壓之前，需要施加負(fù)的柵極 - 源極偏置電壓才能將其關(guān)閉。施加負(fù)的柵極 - 源極偏置電壓有助于限制靜態(tài)電流，以實(shí)現(xiàn)正確的 AB 類(lèi)操作。開(kāi)啟序列可以通過(guò)外部偏置電路、制造過(guò)程進(jìn)行控制，或者通過(guò)專(zhuān)為這種控制目的而設(shè)計(jì)的氮化鎵偏置芯片進(jìn)行控制。例如，Qorvo 的 ACT41000 是一款可編程輸出、低噪聲的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器，帶有輔助偏置電源穩(wěn)壓器。Ampleon 也有一份出色的應(yīng)用說(shuō)明，詳細(xì)介紹了用于 50V 氮化鎵演示板的偏置模塊。
Vgs 漂移
在氮化鎵器件中建立穩(wěn)定的 AB 類(lèi)工作點(diǎn)后，通常會(huì)觀察到，即使在固定的 Vgs（最大柵極 - 源極電壓）電壓設(shè)置下，漏極電流也會(huì)隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為 Vgs 電流漂移。Vgs 電流漂移發(fā)生的原因是，在 HEMT 通道的表面外延區(qū)域中的陷阱（缺陷）會(huì)逐漸充滿(mǎn)反向偏置的正電荷。這會(huì)改變器件內(nèi)部的固有 Vgs 電壓，并在沒(méi)有施加射頻能量時(shí)改變穩(wěn)態(tài) AB 類(lèi)漏極電流。
通過(guò)重新調(diào)整柵極電壓和初始偏置設(shè)置，可以將漏極電流重置回初始設(shè)置。然而，在器件的整個(gè)使用壽命期間，電流可能會(huì)持續(xù)漂移，盡管在最初的漂移發(fā)生后，漂移速率會(huì)非常低。在存在較大射頻信號(hào)的情況下，陷阱 / 缺陷的填充速度會(huì)加快。在大射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)條件下，漏極電流會(huì)增加到適當(dāng)?shù)乃?，以?shí)現(xiàn)最大輸出功率和效率。大多數(shù)器件可以接受相對(duì)較寬范圍的初始 AB 類(lèi)偏置設(shè)置，并且仍然能夠保持良好的性能一致性。一種緩解方法是在 AlGaN 器件中將初始偏置設(shè)置略高于最優(yōu)值。經(jīng)過(guò)短暫的 24-48 小時(shí)老化后，初始設(shè)置會(huì)漂移到期望的范圍內(nèi)。
溫度補(bǔ)償要求
在碳化硅基 AlGaN/GaN HEMT 器件中，一致且固定的 AB 類(lèi)偏置設(shè)置還依賴(lài)于器件的工作溫度。隨著器件導(dǎo)電通道的溫度變化，柵極偏置電壓也必須變化以補(bǔ)償這種波動(dòng)。在典型的氮化鎵器件中，柵極偏置電壓需要針對(duì)器件本身每攝氏度上升約 +1 毫伏。然而，器件的工作溫度還取決于散熱器和整個(gè)放大器的溫度。大多數(shù)偏置電路都配備了一種散熱器溫度監(jiān)測(cè)傳感器，該傳感器能夠主動(dòng)測(cè)量散熱器的溫度，并調(diào)整施加到器件上的偏置電壓，通常約為每攝氏度 +2 毫伏。
Vgs 和 Idq 隨溫度變化的曲線圖：
圖 2：在固定 Vgs 偏置設(shè)置下典型的 Idg 隨溫度變化曲線
圖 3：在固定 Idq 偏置設(shè)置下典型的 Vgs 變化與溫度關(guān)系曲線
柵極漏電流
盡管許多 AlGaN/GaN HEMT 射頻器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），但由于柵極終端是一個(gè)（有漏電流的）肖特基二極管，因此仍存在少量的柵極漏電流。偏置電路必須能夠在柵極處吸收和提供電流，以在不同的射頻驅(qū)動(dòng)電平下保持一致的偏置水平。柵極漏電流是雙向流動(dòng)的。在低射頻驅(qū)動(dòng)電平下，電流從器件流出并進(jìn)入偏置電路。在高射頻驅(qū)動(dòng)電平下，由于柵極二極管對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)的整流作用，柵極電流會(huì)流入器件。柵極漏電流的大小與器件的尺寸和功率相關(guān)。與小型器件相比，大型晶體管的柵極漏電流會(huì)更高。偏置電路必須能夠考慮柵極漏電流的范圍并相應(yīng)地進(jìn)行控制。
用于平均故障前時(shí)間（MTTF）計(jì)算的熱測(cè)量過(guò)程
AlGaN 和碳化硅基 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）的可靠性取決于活性通道中柵極和漏極之間通道的溫度。當(dāng)通道的導(dǎo)電性由于柵極吸收失效機(jī)制（即柵極金屬原子向通道擴(kuò)散）而下降 10% 時(shí)，器件就會(huì)出現(xiàn)“失效”。
圖 4：典型的氮化鎵器件熱堆疊結(jié)構(gòu)
由于通道結(jié)構(gòu)較小且活性通道內(nèi)有金屬化層，因此無(wú)法使用紅外（IR）顯微鏡直接測(cè)量器件的工作溫度。相反，可以通過(guò)對(duì)通道結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行有限元分析來(lái)模擬工作溫度。
驗(yàn)證三維 ANSYS 模型需要?jiǎng)?chuàng)建直流測(cè)試結(jié)構(gòu)，并使用專(zhuān)用紅外顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。這些顯微鏡必須考慮其較大的光斑尺寸限制，并使三維模型尺寸與紅外相機(jī)的尺寸相匹配。如果測(cè)量值與模型值的誤差在 5% 以?xún)?nèi)，則認(rèn)為模型是準(zhǔn)確的。
熱測(cè)量計(jì)算和圖表
圖 5 給出了一個(gè)用于計(jì)算器件熱阻的方程示例。圖 6 和圖 7 展示了在固定 Idq 偏置設(shè)置下，Vgs 變化與溫度的典型關(guān)系曲線。
圖 5：用于計(jì)算典型器件熱阻的射頻器件能量流動(dòng)示例
圖 6：器件的熱阻也隨脈沖寬度和占空比的變化而變化。大多數(shù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)顯示類(lèi)似于上圖的熱阻曲線。隨著脈沖寬度和占空比的減小，熱阻降低；相反，隨著脈沖寬度和占空比的增加，熱阻會(huì)升高，直到曲線收斂于一個(gè)單一數(shù)值，這就是器件的連續(xù)波（CW）熱阻額定值
圖 7：此圖基于在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，顯示了外推預(yù)測(cè)的平均故障前時(shí)間（MTTF）。
平均故障前時(shí)間（MTTF）計(jì)算
在 AlGaN 器件中，平均故障前時(shí)間（MTTF）是指由于柵極下沉導(dǎo)致通道電阻增加 10% 的時(shí)間。它是通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量和外推的。這些測(cè)試結(jié)構(gòu)在極高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，以收集有關(guān)制造商各種 GaN 結(jié)構(gòu)的實(shí)際數(shù)據(jù)。圖 7 左上角的數(shù)據(jù)框是實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間約為 5000 小時(shí)。然后將 225°C 的故障率外推到 10,000,000 小時(shí)（1000 年）的范圍。
顯然，預(yù)測(cè) GaN 器件的 MTTF 并非易事。它涉及許多不同的測(cè)量和模擬工具。在執(zhí)行良好的模擬中，預(yù)測(cè)的 MTTF 應(yīng)在器件實(shí)際生命周期的 ±5% 以?xún)?nèi)。
總之，與傳統(tǒng)基站設(shè)計(jì)中使用的標(biāo)準(zhǔn) LDMOS 器件相比，GaN HEMT 器件具有不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)?？紤]這五個(gè) GaN 設(shè)計(jì)因素和挑戰(zhàn)可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但性能權(quán)衡通常值得投入時(shí)間。GaN 為尋求更高效率、更高功率密度或更高工作頻率的設(shè)計(jì)人員提供了一些理想的替代方案。
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