传统的基站射频功率放大器通常使用Laterally-diffused金属氧化物半导体(LDMOS)设备,以满足成本效率的要求。为了提高性能,许多设计师正在探索使用高性能氮化镓设备或替代设计解决方案氮化镓碳化硅功率放大器。然而,几个挑战使甘从标准LDMOS场效应晶体管器件设备明显不同。五个因素与氮化镓设备设计包括偏见测序,vg漂移,温度补偿要求,栅漏电流要求和热测量过程MTTF计算。
图1:典型的氮化镓HEMT结构。来源:今天的半导体
偏见测序
通常情况下,大多数沃甘/氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)射频场效应晶体管(FET)设备,完整的传导零偏压时启用。这意味着它们耗尽型(d模式下)设备。他们需要负gate-to-source偏压应用漏电压打开之前关闭它们。负gate-to-source偏压应用适当的AB类操作的无功电流的限制。刺激序列可以通过外部控制偏置电路,专门制造,或与GaN偏压控制芯片为控制目的。例如,Qorvo ACT41000是一个可编程输出,噪音低,直流-直流巴克转换器与辅助偏压供应监管机构。Ampleon也有一个很好的应用注意进入更详细的关于偏见模块偏压模块50 v GaN演示板。
vg漂移
一旦已经建立了一个稳定的AB类操作点GaN设备,通常观察到漏极电流将改变对数随着时间的推移,即使有一个固定的vg(最大Gate-Sourced电压)电压设置。这是一个现象称为vg海流。vg海流是因为counter-biasing正电荷是慢慢填充陷阱(缺陷)在表面外延地区HEMT通道。这种改变内在的vg电压内部设备和改变了稳态AB类漏极电流零射频能量时。
门可以重新调整电压和初始偏差设置重置漏极电流恢复到初始设置,但它可以继续漂移在整个设备的寿命——尽管以非常低的速度在最初发生了漂移。大的射频信号的存在允许填充陷阱/缺陷更快。在大的射频信号驱动条件下,漏极电流增加到适当的水平最大输出功率和效率。大多数设备可以接受一个相对广泛的初始AB类偏见仍然设置,都能出色完成。一种减轻选项是设置初始偏置设置略高于沃甘的最佳设备。经过短暂的24 - 48小时燃烧,初始设置飘到所需的范围。
温度补偿需求
一个一致的、固定的AB类偏见设置也依赖于工作温度的沃甘/氮化镓HEMT SiC设备。作为设备的传导通道的温度变化,栅极偏置电压也必须改变,以弥补这种波动。甘与典型设备,门口的偏置电压需要调整向上约每摄氏度+ 1 mV设备本身。然而,设备操作温度也依赖于散热片和整个放大器的温度。大多数偏压电路有某种类型的散热器温度监测传感器,积极措施散热片温度和调整偏差电压灌肠器的设备,通常约+ 2 mV /度。
情节在vg和容器vs温度:
图2:典型Idg vs临时固定vg偏见设置。来源:Qorvo
图3:典型的vg的变化与临时固定容器偏见设置。来源:Qorvo
门泄漏当前的
尽管许多沃甘/氮化镓HEMT射频设备场效应晶体管,仍有少量的泄漏电流,因为登机口终端是一个肖特基二极管(漏)。偏置电路必须能够沉在门口和源电流保持一致的偏见水平在不同射频驱动水平。栅漏电流流动是双向的。在射频驱动水平低,电流从设备到偏置电路。在高射频驱动水平,栅电流会流入设备由于整流二极管射频驱动器的大门。门的泄漏电流的大小有关设备和更高的力量。大晶体管相比将有更高的栅漏电流更小的设备。偏置电路必须能够占门泄漏范围和相应控制它们。
热测量过程为MTTF计算
沃甘和氮化镓在原文如此高电子迁移率晶体管(HEMT)可靠性是一个函数之间的通道温度门,吸取积极的通道。设备“失败”是当这个通道的电导率下降10%由于门下沉破坏机理金属原子相互扩散的从大门进入通道。
图4:典型的氮化镓设备热堆积。
渠道结构小,包含金属化在活跃的通道。因此,它是不可能直接测量设备的操作温度使用红外(IR)显微镜。相反,使用有限元分析模拟操作温度通道结构的三维模型。
验证一个3 d ANSYS模型需要直流测试结构创建并与专业红外显微镜测量。这些显微镜必须考虑他们的大光斑大小限制和匹配三维模型尺寸的红外摄像机。模型被认为是准确的,如果测量节型号匹配在5%以内。
热测量计算和图
图5给出一个示例的一个方程用于计算设备的热阻。图6和图7显示典型的vg的变化与温度设定为一个固定的容器偏见。
图5:能量流动的一个例子/的射频设备用来计算一个典型设备的热阻。
图6:设备的热阻也不同脉冲宽度和责任周期的函数。大多数设备数据表将显示一个热阻曲线类似于上面的图。热阻随脉冲宽度和工作周期。相反,它增加而增加脉冲宽度和责任周期,直到曲线收敛在一个数字,这是连续波热阻率的装置。
图7:这个图表显示了外推预测MTTF根据实际测量数据在相对较短的时期内。
的意思是时间来失败计算
平均失效到达时间(MTTF)在沃甘设备增加10%通道阻力是由于门的沉没。它是衡量和外推使用测试结构。这些测试测量结构在极高的温度下长时间收集真实的数据对制造商的各种氮化镓结构。数据框的左上角图7是真实的数据点,大约5000小时。然后225°C失败率是外推到10000000个小时,1000年的范围。
显然,预测的MTTF GaN设备不是一个简单的任务。它涉及到很多不同的测量和仿真工具。预测MTTF应该在+ / - 5%的实际设备的生命周期全副武装的模拟。
结论
总之,GaN HEMT器件有不同的设计挑战比标准的LDMOS器件用于传统基站设计。为技术类型有优点和缺点。占五GaN设计考虑和挑战可能是一场战斗,但是权衡性能通常是值得的。氮化镓为设计师提供一些可取的选择寻求更高效率、更高的功率密度或更高频率的操作。
氮化镓设备可以通过RFMW的更多信息可以发现在这里。对伦纳德佩尔蒂埃
 |
伦纳德佩尔蒂埃是一个供应商的业务经理RFMW专门从事高能、射频功率放大器设计、射频组件的应用程序。佩尔蒂埃先生的大量背景来自于他的工作经验主要功率半导体制造商,专门从事LDMOS,氮化镓和锗硅设备技术,他在功能设计和技术支持。作者、经理、培训师和公众演讲者,佩尔蒂埃先生亲自仪器从双相转换设备的使用LDMOS技术通过蜂窝基础设施在25年前oem厂商。 |
