氮化鎵功率器件在陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，氮化鎵（GaN）功率器件迎來了快速發(fā)展期，從半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程可以看到，半導(dǎo)體器件發(fā)展的幾次飛躍都是與同時(shí)期的幾種半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)密切相關(guān)。首先，硅（Si）材料的發(fā)現(xiàn)使半導(dǎo)體在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用獲得突破性進(jìn)展，日用家電和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用都應(yīng)該歸功于硅材料的出現(xiàn)。而后，砷化鎵（GaAs）材料的研究使半導(dǎo)體的應(yīng)用進(jìn)入光電子學(xué)領(lǐng)域，利用砷化鎵材料及與其類似的一些化合物半導(dǎo)體，如磷化銦（InP）等制造出的發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器在光通信和光信息處理等領(lǐng)域起到了不可替代的作用，由此也帶來了VCD 和多媒體等的飛速發(fā)展。這兩代半導(dǎo)體器件在微波功率領(lǐng)域也占據(jù)著舉足輕重的地位。

1氮化鎵功率器件的特點(diǎn)

以Si 材料為代表的第一代半導(dǎo)體功率器件在VHF、UHF、L 波段、S 波段中，雷達(dá)發(fā)射功率器件已經(jīng)全面替代真空管器件，其中L 波段及以下波段硅半導(dǎo)體功率器件的脈沖輸出功率達(dá)幾百瓦，L波段以下功率已過千瓦，S 波段輸出功率可達(dá)350W。GaAs 半導(dǎo)體功率器件最高工作頻率可達(dá)30GHz～100GHz，輸出功率較小。上世紀(jì)中期開始研究的第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC） 等。這些材料的共同特點(diǎn)是它們的能帶間隙在3.2 到3. 4eV 之間，是GaA s 和Si 能帶間隙的二至三倍。

本文重點(diǎn)討論氮化鎵功率器件在陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用。下面結(jié)合半導(dǎo)體的物理特性，對(duì)氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）的特點(diǎn)加以說明。

（1）輸出功率高，附加效率高

GaN HEMT 的發(fā)展得益于寬禁帶半導(dǎo)體AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料系統(tǒng)，從表1 可見 GaN 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，比Si 和GaAs 高出數(shù)倍。具有相對(duì)低的本

征載流子產(chǎn)生率，由于在該異質(zhì)結(jié)界面上存在自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，兩維電子氣濃度很高，同時(shí)電子飽和速度較高AlGaN /GaN 異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)于寬禁帶材料SiC 半絕緣襯底上，該襯底熱導(dǎo)率優(yōu)于金屬銅。 其良好的散熱特性有利于高功率工作［2］。GaN HEMT 還具有低寄生電容及高擊穿電壓的特性，非常適合實(shí)現(xiàn)高效率放大器。

氮化鎵器件的散熱效率

（2）長(zhǎng)脈寬，高占空比

GaN HEMT 通常外延生長(zhǎng)于寬禁帶材料SiC半絕緣襯底上，該襯底熱導(dǎo)率優(yōu)于金屬銅，適當(dāng)控制GaN HEMT 的功率密度可輕松實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈寬，高占空比，在大功率連續(xù)波工作均可實(shí)現(xiàn)。

（3）工作頻帶寬，工作頻率高

GaN HEMT 的截止頻率直接決定了其應(yīng)用的工作頻率和瞬時(shí)帶寬，它隨溝道的摻雜濃度增加而上升，雖溝道的厚度和柵長(zhǎng)的增加而下降［ 3 ］。由于Si半導(dǎo)體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此Si 半導(dǎo)體功率器件的工作頻率只能在S 波段以下工作。GaAs 器件具有比其它器件好很多的載流子遷移率，截止頻率很高，但受擊穿場(chǎng)強(qiáng)的限制，工作電壓低，導(dǎo)致器件輸出功率小，GaN HEMT 具有寬的禁帶能量、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高飽和電子漂移速度的特性，補(bǔ)償了這一不足而獲得好的高頻性能，GaN HEMT 可以工作在更高頻率同時(shí)能有高輸出功率。另外，GaN HEMT 的固有特性使得其輸入輸出阻抗較高，電路的寬帶阻抗匹配更加容易實(shí)現(xiàn)，使得GaN HEMT 適合寬帶應(yīng)用。

（4）抗輻照能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

GaN 是極穩(wěn)定的化合物，具有強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、在Ⅲ—Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學(xué)穩(wěn)定性好。使得GaN 器件比Si 和GaAs 有更強(qiáng)抗輻照能力，同時(shí)GaN 又是高熔點(diǎn)材料，熱傳導(dǎo)率高，GaN功率器件通常采用熱傳導(dǎo)率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN 功率器件具有較高的結(jié)溫，能在高溫環(huán)境下工作。

CREE Ku波段70W 氮化鎵

2陣列雷達(dá)對(duì)收發(fā)系統(tǒng)的要求

氮化鎵功率器件具有工作頻帶寬、輸出功率大、效率高等特點(diǎn)，特別適合于陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用，根據(jù)陣列雷達(dá)工作的自身特點(diǎn)，應(yīng)用氮化鎵功率器件有以下幾點(diǎn)值得重點(diǎn)關(guān)注［ 3 ］ 。

（1） 良好的飽和工作能力

陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)通常由多級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)組成，為了把每一級(jí)的差異對(duì)最后輸出的影響減到最小，要求每一級(jí)都工作在飽和區(qū)，同時(shí)關(guān)注飽和狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)。

（2） 輸出脈沖前后沿

陣列雷達(dá)一般都是在脈沖狀態(tài)下工作，脈沖前后沿與雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)序、測(cè)量精度密切相關(guān)，如果前后沿太大可能引起時(shí)序混亂。

（3） 輸出脈沖頂降

放大器的輸出脈沖頂降和許多因素有關(guān)，在保證放大器狀態(tài)正常和外圍電路設(shè)計(jì)良好的情況下，主要是GaN HEMT 工作時(shí)自身產(chǎn)生的頂降。

（4） 諧波抑制

在大規(guī)模的陣列雷達(dá)系統(tǒng)，由于發(fā)射在空間的輻射功率比較大，其諧波也會(huì)對(duì)一些電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此對(duì)二次諧波甚至三次諧波都有嚴(yán)格的要求。

（5） 輸出功率平坦度

陣列雷達(dá)通常不是在單一頻點(diǎn)下工作，也不是通訊模式下的幾個(gè)頻點(diǎn)同時(shí)工作，而是寬帶變頻和跳頻工作，有時(shí)頻率在脈沖內(nèi)隨時(shí)間線性變化，則放大器的輸出功率具有相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性。

（6） 相位穩(wěn)定性

對(duì)陣列雷達(dá)而言，器件的相位穩(wěn)定性直接影響雷達(dá)發(fā)射波瓣方向圖的形成，相位穩(wěn)定性在陣列雷達(dá)顯得尤為重要。

（7） 脈間噪聲

此處脈間噪聲是指雷達(dá)工作在接收狀態(tài)時(shí)，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的噪聲，脈間噪聲直接影響雷達(dá)的探測(cè)威力。

（8） 抗駐波能力和駐波狀態(tài)下的穩(wěn)定性

由于氮化鎵器件的擊穿電壓較高，其抗駐波能力也相應(yīng)較好，但由于增益較高，負(fù)載失配情況下易不穩(wěn)定，一般要求在VSWR ≤3 的情況下相關(guān)指標(biāo)仍能滿足要求。

3氮化鎵功率器件的應(yīng)用分析

通過陣列雷達(dá)對(duì)收發(fā)系統(tǒng)的要求可見，對(duì)于氮化鎵功率器件在陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中如何應(yīng)用，選擇哪一類放大器的偏置，采用哪一種外圍電路等與此息息相關(guān)。同時(shí)許多要求與實(shí)現(xiàn)方式又是環(huán)環(huán)相扣，有時(shí)不得折中考慮，以下主要從放大器工作類型、偏置電路和調(diào)制電路的選取加以分析。

（1）放大器工作類型的選取

在S 波段頻率范圍內(nèi)的硅雙極晶體管（BJT）通常為C 類自偏置工作，晶體管只需要一個(gè)集電極電壓，當(dāng)輸入端的射頻擺動(dòng)電壓超過發(fā)射極-基極結(jié)的內(nèi)電位時(shí)，晶體管才吸取集電極電流，其集電極電流受到基極-發(fā)射極結(jié)之間流動(dòng)的電流所控制。當(dāng)雷達(dá)處于接收狀態(tài)時(shí)，器件未被驅(qū)動(dòng)，此時(shí)放大器不吸取靜態(tài)直流電流，放大器沒有功率耗散，處于截至狀態(tài)，這類放大器特別適合陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用。電路簡(jiǎn)單，尤其是不需多加處理就可實(shí)現(xiàn)脈間噪聲小這一要求，但這類放大器同時(shí)也存在弊端，與GaN HEMT 相比，工作頻率較低，單級(jí)增益小，附加效率不高，不能在長(zhǎng)脈寬、高占空比狀態(tài)下使用。與BJT 不同的是GaN HEMT 通常偏置在A 類或AB 類工作，其偏置狀態(tài)受柵源之間的偏置電壓控制，屬電壓控制器件。這種工作方式對(duì)小信號(hào)仍有較高的增益，而陣列雷達(dá)發(fā)射和接收通路之間雖有一定的隔離度，但產(chǎn)生的漏信號(hào)經(jīng)過多級(jí)聯(lián)放大后，能量被放大致使雷達(dá)無法正常工作。因此，需要從偏置狀態(tài)和電源調(diào)制來考慮解決這一問題。

（2）電源調(diào)制電路的選取

GaN HEMT 和GaAs FET 類似，柵極為負(fù)偏電壓，采用漏極電源調(diào)制的方式，在接收期間關(guān)斷放大器的電源，來確保雷達(dá)接收期間噪聲要求，即脈間噪聲。GaN HEMT 漏極工作電壓高，輸出功率大，因此，完全借鑒GaAs FET 的使用經(jīng)驗(yàn)，是不夠的，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不能正常工作。在GaAs FET作發(fā)射使用時(shí)，發(fā)射功率不高（通常在瓦級(jí)），環(huán)路增益相對(duì)較低，通過射頻開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)較好的收發(fā)隔離。而采用了GaN HEMT 通常發(fā)射功率很大（百瓦級(jí)以上），如果每級(jí)放大都偏置在A 類工作時(shí)，環(huán)路小信號(hào)增益非常高，在高集成的收發(fā)系統(tǒng)中收發(fā)隔離度難以控制，微小的擾動(dòng)可以引起收發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此在用GaN HEMT 實(shí)現(xiàn)發(fā)射級(jí)聯(lián)時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)整偏置狀態(tài)來控制小信號(hào)的增益來保證雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。偏向B 類C 類工作時(shí)，靜態(tài)電流會(huì)減小，增益降低，采用漏極電源調(diào)時(shí)，靜態(tài)電流的減小還可導(dǎo)致脈沖的下降沿變差，在雷達(dá)PD 處理時(shí)下降沿變差等于增加了模糊距離，也是系統(tǒng)難以接受的，因此可采取部分偏C類工作和部分A 類漏極電源調(diào)制工作相結(jié)合，綜合考慮小信號(hào)增益，下降沿時(shí)間和脈間噪聲，找出合適的平衡點(diǎn)是關(guān)鍵。

4可靠應(yīng)用氮化鎵功率器件途徑

提高GaN HEMT 的擊穿電壓、減小高工作電壓下器件的射頻電流偏移是提高GaN HEMT 可靠工作的有效途徑。GaN HEMT 制作中提高器件擊穿電壓的一個(gè)重要措施就是在柵上引入場(chǎng)調(diào)制板（Field－Modulation Plate）等專門技術(shù)，場(chǎng)板的引入能有效降低柵極在漏端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度［4］，從而提高器件的擊穿電壓。脈沖工作的發(fā)射放大器會(huì)消耗很大的直流電流，設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意漏極偏置的寄生電感，因?yàn)樗墚a(chǎn)生很高的電壓尖峰，從而導(dǎo)致GaN HEMT損壞。

結(jié)束語

綜上所述，由于氮化鎵功率器件具有許多優(yōu)良性能，并在陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本文主要從陣列雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)來闡述了氮化鎵功率器件在陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用考慮和分析，由于篇幅所限，不能面面俱到，但對(duì)陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的針對(duì)性和指導(dǎo)性，可供廣大陣列雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)人員參考。