基于模型的 GaN PA 设计基础知识：I-V 曲线中有什么？

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这是入门系列（两部分）博客的第二部分，全面介绍基于模型的功率放大器 (PA) 设计。第一部分介绍了非线性 GaN 模型的基本概念。


作为一项相对较新的技术，氮化镓 (GaN) 采用的一些技术和思路与其他半导体技术不同。


对于 GaN PA 设计新人来说，了解 I-V 曲线（亦称为电流-电压特性曲线）是一个很好的起点。本篇博客探讨 I-V 曲线的重要性，及其在非线性 GaN 模型（如Modelithics Qorvo GaN 库里的模型）中的表示如何帮助您更精确、更高效地完成设计流程。


GaN：基础知识
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如何在不损坏器件的情况下偏置 GaN 晶体管：视频教程
Modelithics Qorvo GaN 库


场范围 (pitch) 是什么？


您可将 I-V 曲线看作一个足球场（有时也称为“pitch”），其限值决定了微波信号的边界，如下图所示。简而言之，一旦触及边界，就会发生信号削波，这会导致压缩和非线性失真。边界值由以下参数设置：


拐点电压和最大电流 (Imax)，由图中角上的标记 m1 表示


零电流线，对应于栅极-源极夹断电压 (Vpo)


击穿电压 (VBR)，由右边电流曲线的上升沿表示



拐点电压、偏置条件和增益


该图还显示了以下信息：


标记 m1 表示拐点电压 (Vk)。.


标记 m2、m3 和 m4 表示标称静态偏置条件，分别代表 A 级、AB 级和 B 级常规 PA 工作级或模式。当然，还有其他模式，例如 C 级偏置对应于比夹断电压更低的负栅极电压，因此射频电流导通时间小于栅极电压输入波形的半周期。


记住：GaN 器件的夹断电压始终是负电压。了解更多 >


不同的曲线代表不同的栅极-源极电压值，从夹断值（本例中约为‑4 V）到微正值 (Vgs = 1 V)。本器件允许的绝对最大电流 (Imax) 约为 900 mA，击穿电压 (VBR) 约为 118 V。


不同 Vgs 值的 I-V 曲线的间距与所谓的跨导 (gm ≈ ΔIds/ΔVgs) 有关，跨导与增益有关。（图中 Vgs 的阶跃电压为 0.2 V。）请注意，在 m4（B 级偏置）附近，与 m3（AB 级）相比，曲线间距更近。AB 级具有与 B 级相似的效率优势，并且增益更高，这是其成为首选的原因之一。

符号术语表
Ids：漏极-源极电流
IdsQ：漏极-源极静态电流
Imax：最大电流
VBR：击穿电压
Vd：漏极电压
Vds：漏极-源极电压
VdsQ：漏极-源极静态电压
Vg：栅极电压
Vgs：栅极-源极电压
VgsQ：栅极-源极静态电压
Vk：拐点电压。I-V 曲线中电压开始上升的位置。
Vpo：夹断电压。当器件在特定电压下关断的特定点。GaN 的夹断电压为负值。

可获得多大的射频功率？?


上图还显示了一条蓝色虚线和一条深灰色实线，用于表示交流信号会往复摆动的负载线路。在理想意义上，深灰色线考虑到最大限度地利用I-V“运行场”，并允许信号充分利用最大电流和最大电压摆幅。


在本例中，静态偏置电压原则上可设置为 61 V。但是，出于可靠性和设计裕量的考虑，我建议使用更低的标称偏置电压（始终小于击穿电压的一半）和不同的最佳负载线路（这里我们选择了 28 V，在上图中标记为 m2、m3 和 m4）。器件的潜在功率（对于 A 级和 B 级）可以简单地用 0.25*(VdsQ-Vk)*Imax 来大致估算。此处所示器件的输出功率约为5 W。


对于给定的工艺，击穿电压趋于恒定值，因此可以通过增加栅极宽度来获得更高功率。这将引入一个衡量功率性能的常见参数，称为功率密度，GaN 的功率密度为 5-10 瓦/毫米 (W/mm) 栅极宽度，GaAs 晶体管的功率密度为 0.5 至 1 W/mm。


简而言之，为了在削波前使电流/电压峰值达到最大值以优化功率输出，负载电阻将是负载线路斜率的倒数（忽略器件和封装的反应性寄生效应）。最佳功率负载总是不同于按照线性电路理论所得出的最大程度提高器件增益所需的功率负载。

GaN 扩大 I-V“运行场”的能力



回到对功率性能的简单估算，0.25*(VdsQ-Vk)*Imax，因此，可以通过使用以下器件获得更高功率：


Imax 值更高的器件


可在更高静态电压下运行的器件


两者兼具（更高 Imax 和 VdsQ）的器件

商用 GaN 工艺的击穿电压在 100 V 和 200 V 之间，比 GaAs 的击穿电压高出一个数量级，也是典型 LDMOS 工艺的两倍以上。GaN 有效地扩展了上述 I-V 运行场的边界，对于高功率 PA 设计而言，这种 I-V 曲线扩展非常令人振奋。

是否存在让我们担扰的陷阱？


俘获效应是影响 GaAs 和 GaN HEMT 器件工作的一个电学现象。它发生于器件的外延层，其中可用于增强 HEMT 沟道中电流的电子实质上被“陷”入缺陷状态，该缺陷发生在 GaAs 或 GaN 格栅表面或内部。这种效应具有电压依赖性，并随时间推移会降低器件的运行性能，影响拐点电压之类的参数。


GaN 俘获效应的一个众所周知的影响称为拐点蠕变，它将使 I-V 曲线的拐点电压右移，如下图所示。


好消息是非线性 GaN 模型可帮助预测这种俘获效应的行为。下图显示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中捕获的一个 Qorvo 裸片模型的 I-V 曲线。它显示了在短脉冲条件下（例如 0.05% 占空比下 0.5 µs 脉冲宽度）的两种不同静态漏极电压（12 V 和 28 V，下图中标记为 VdsQ1 和 VdsQ2）的仿真。


您可看到拐点电压和 Imax 如何受到与陷阱相关的拐点蠕变效应的影响。将自热参数输入值设置为零时，该模型数据很好地再现了在 12 V 和 28 V 静态漏极电压（VgsQ 设置为夹断值）短脉冲条件下测得的 I-V 曲线。


我们从上述讨论中得知，这两个参数会相应地影响器件的最大功率，因此模型随工作电压而跟踪 I-V 变化的能力将十分重要，具体取决于应用。

非线性模型可加快设计流程


了解 I-V 曲线的影响和细微差别及其对 PA 设计的基本限制和影响十分重要。如果您是这个领域的新手，希望本篇博客有助于您了解 I-V 曲线中许多有用的信息！


选择负载条件以最大程度地提高大信号功率性能，这与线性共轭匹配的思路完全不同，因此在设计流程中使用非线性 GaN 模型可帮助您第一次就获得正确设计。无需过多担心与晶体管的输出阻抗匹配，我们需要考虑的是如何最大程度地提高 I-V“运行场”上的电流和电压变化摆幅，这由 I-V 曲线的边界值控制，从拐点电压和最大电流沿着选定的负载线路下降至夹断区域。

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