|
|
[摘要］宽禁带半导体主要是指禁带宽度（导带最低点与价带最高点之间的能量差）大于2.2电子伏特的半导体材料。以GaN、SiC为代表的 宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度、高截止频率、高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点，这些特点的具备使得其可以在传统器件所不能胜任的高温、强辐射环境中得到应用。随着器件设计技术和制造工艺的不断进步，宽禁带半导体器件必将逐步取代传统的半导体器件。
［关键词］宽禁带；雷达；相控阵；高功率微波
宽禁带（WBG）半导体与窄禁带半导体材料的区别是它们的禁带宽度。所谓宽禁带半导体主要是指禁带宽度（导带最低点与价带最高点之间的能量差）大于2.2电子伏特的半导体材料，包括SiC、GaN、AlN、ZnO等。本文从宽禁带半导体的特点和发展水平出发，提出了应用在雷达和高功率微波中这两个方向，为今后宽禁带半导体材料的发展提供了新的思考途径。
1. 宽禁带半导体材料的特点和发展水平
1.1宽禁带半导体材料的特点
与窄禁带半导体相比，宽禁带半导体材料具有较大的禁带宽度以及很高的击穿电场强度，使得宽禁带器件能够承受的峰值电压大幅度提高，器件的输出功率可获得大规模提升，如AlGaN/GaNHEMT器件在8GHz连续波功率输出功率密度为30.6W/mm，高出GaAs微波功率器件功率密度30倍以上；宽禁带材料具有高的热导率、高化学稳定性等优点，使得功率器件可以在更加恶劣的环境下工作，可极大提高系统的稳定性与可靠性，如SiC的热传导性较Si高3倍多，是高功率选择的理想材料；宽禁带材料抗辐射能力非常好，在辐射环境下，宽禁带器件对辐射的稳定性比Si器件高10～100倍，因此是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料；宽禁带半导体器件的结温高，如SiC器件的结温可达600℃，由于热传导率高，允许的结温高，故在冷却条件较差、热设计保障较差的环境下也能够稳定工作。
1.2宽禁带半导体材料的国内外发展水平
国外在宽禁带器件的研究方面技术领先，根据公开的文献资料，SiC衬底四胞合成总栅宽为144mm的L波段功率放大器，工作电压为65V时，输出功率大于500W。采用源终端场板技术制作成功栅宽36mmSi衬底GaN基HEMT，漏压偏置为60V，频率为2.14GHz时输出功率高达368W。采用内匹配技术，双胞28.8mm×2GaNHEMT放大器，器件采用了栅终端场板与源终端场板相结合双层场板结构，Vds=55V，3.45GHz时器件峰值输出功率为550W，漏极效率为66%。国内技术水平较国外有一定的差距，较高水平是在X波段实现输出功率14W，功率附加效率达到23%。
2. 宽禁带半导体材料的应用
宽禁带半导体材料的上述特点和发展水平，决定了其特别适合制作高频大功率器件，因此非常适合应用在雷达及高功率微波武器中。
2.1在雷达中的应用
随着雷达技术的不断发展，对雷达提出了高性能、高可靠性和低成本的要求，而宽禁带半导体器件则正好具备这些特点和优势。
2.1.1高性能
高性能主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等要求。目前窄禁带高频功率器件的输出功率电平已经发展到极限，而宽禁带器件由于在热稳定性方面的优势，很容易就可以实现大工作脉宽和高工作比，能够将天线单元级的发射机输出功率提高约10倍。美国海军的新一代预警机E-2D样机已采用SiC微波功率器件来构建发射模块。 宽禁带功率器件的输入、输出阻抗随频率变化小，且特性阻抗为高阻抗，较容易实现宽带电路匹配，从而提高放大器工作带宽和瞬时带宽。高的工作带宽和瞬时带宽对提高雷达信号的反侦察能力和抗干扰能力，低截获概率雷达的实现，雷达的高分辨测量与目标成像识别具有重要意义。美国海军的S波段与X波段有源相控阵雷达，均具有大的工作带宽。
有源相控阵雷达常采用幅度加权的方法来优化发射方向图和降低副瓣电平。由于宽禁带功率器件工作电压和输出功率之间的线性度较好，可以通过改变栅极的电压来控制漏极电流，从而满足雷达大幅度加权的要求。同时，还可以应用这一特性实现同一功率量级的不同输出功率的放大器模块化设计。
对于阵面庞大的有源相控阵雷达，每个组件的输入电平很难控制，为了达到组件输出的一致性，需要利用器件的深饱和特性。Si功率器件工作在饱和区时，随着输入功率的增加，效率急剧降低，从而导致T/R组件的总效率降低、耗散功率增加；而宽禁带器件的效率会随着输入功率的增加而提高，能够维持耗散功率基本不变。
此外，对受到雷达平台或武器平台限制的雷达来说，由于有源相控阵天线的孔径受到严格限制，增加阵列天线面积的可能性不大。宽禁带器件由于具有极高的功率密度，在增加T/R组件发射信号放大器输出功率的同时还能进一步减少T/R组件的体积、重量。
2.1.2高可靠性
功率器件的寿命与其结温密切相关，结温越高，寿命越低。功率器件的结温每升高10℃，工作寿命减少1/2。目前Si功率器件在地面条件下的应用结温就常常达到临界状态，对于机载和星载环境则更加难以满足。而宽禁带材料所具备的高结温和高热传导率特性，可以极大提高器件在各种不同环境温度下的适应性和可靠性。
应用在空间中的雷达，如星载雷达、高空球载雷达等，系统中的许多器件都要求具备抗辐射能力，即便是地面雷达也需要解决抗强电磁脉冲干扰的问题。利用宽禁带半导体材料抗辐射能力强的特点有利于提高雷达的抗辐射能力和抗干扰能力。
2.1.3低成本
高功率输出和高功率密度有利于改善雷达发射天线的设计，减少发射组件的数目或前级放大器的路数，从而大大降低成本。
2.2在高功率微波武器中的应用
宽禁带半导体器件以更高的输出功率、更高的重复频率和更宽的脉冲、更高的安全性和可靠性、更高的功率附加效率以及精确的波束指向等优异的性能，将成为下一代主要的高功率微波固态功率器件。
为了进一步提高高功率微波武器的等效辐射功率，可以采用有源相控阵技术进行空间功率合成，即在每一个单元通道或每一个天线子阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的相位变化，使发射天线波束定向发射。
假设系统采用140×140的方阵，单元间距按下式计算：
其中，N=140为线阵单元数，λ为工作波长，为保证天线波束在方位面±30°、俯仰面±30°相扫范围内不出现栅瓣，并尽可能减小天线单元间的互耦，折中考虑，天线阵面单元间距确定如下：
方位面单元间距：d1≈0.66λ俯仰面单元间距：d2≈0.66λ
为了确保天线的发射增益，口径照射分布采用均匀加权，在不考虑单元间幅相不一致、单元空间合成效率的理想情况下，天线的阵面增益为：G=Na4π λ2 A2） Na=140×140为阵面单元的数目，A为阵元的等效面积，对矩形 排列的天线阵，等效面积的计算公式为：A=d1*d2 3） 可计算得：G=50.3dB 考虑到目前器件的发展水平，假设在C波段单个组件的输出功率P=500W，则发射功率为：
Pt=101gNa*!"P=101g140×140×50!"0≈69.9dB!"W4）等效辐射功率为： ERP=Pt*G=69.9+50.3=120.2dB!"W5）可以看出，等效辐射功率达到了千GW量级。3结论 目前，宽禁带半导体材料虽然具备众多的特点和优势，但因器件模型不够精确和缺乏便宜的衬底而无法进行大规模的生产。随着器件设计技术和制造工艺的不断进步，相信在不久的将来，宽禁带半导体器件的模型参数会更加健全，相关电路的性能和研究水平会得到飞速提高，其应用也将会有更广阔的前景。
作者简介：李璐，1981年出生，女，湖北省宜昌人，现在在中国电子科技集团公司第三十八研究所任工程师，主要研究方向为雷达对抗。
[参考文献］
[1]MACKAWA A, YAMAMOTO T, MITANI E. A 500W push-pul AlGaN/GaN HEMT amplifier for L-band high power application[M]. IEEE MTT-S,2006.
[2]THERRIEN R, SIGNHAL S, JOHNSON J W. A 36mm GaN-on-Si HFET producing 368W at 60V with 70[A]. Wash-ington DC,USA,2005.
[3]WU Y F, WOOD S M, SMITH R P. An internal y-matched GaN HEMT amplifier with 550watt peak power at 3.5GHz[A]. {H}San Francisco CA,2006.
[4]陈堂胜,张斌,任春江,等. 14W X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC[J]. 半导体学报,2008,(6):1027-1030.doi:10.3321/j.issn:0253-4177.2008.06.001.
[5]张光义,王炳如. 对有源相控阵雷达的一些新要求与宽禁带半导体器件的应用[J]. 现代雷达,2005,(2):1-4.doi:10.3969/j.issn.1004-7859.2005.02.001.
[6]赵荣,侯德亭,郭杰,等. 高功率微波空间功率合成方法研究[J]. 信息工程大学学报,2007,(4):443-445,462.doi:10.3969/j.issn.1671-0673.2007.04.017
|
|
/2 
发表于 2018-7-2 10:42:05
