让Qorvo来告诉你IV 曲线中有什么?

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氮化镓(GaN技术在近些年来发展迅速,在很多领域都大放异彩,它也是当下射频技术研究中比较重要的一环,但是它需要一些不同于其他半导体技术的技术和思维。对于刚接触 GaN PA 设计的人来说,了解IV 曲线(也称为电流-电压特性曲线)是一个很好的起点。今天就让我们跟着Qorvo基于非线性模型的 GaN PA 设计基础,探讨IV 曲线的重要性以及它们在非线性 GaN 模型(如Modelithics Qorvo GaN 库中的模型)中的表示如何有助于使您的设计过程更加准确和高效。
 
音高是什么?
 
您可以将 IV 曲线想象成一个足球场(有时称为“球场”),其中的限制决定了微波信号的边界,如下图所示。简单来说,一旦达到边界,就会出现信号削波,这会导致压缩和非线性失真。边界由以下设置:
拐点电压和最大电流 (I max ),由图中的角标记m1表示
对应于栅源 夹断电压(V po )的零电流线
右侧电流线卷曲表示的击穿电压(V BR )
 
GaN
拐点电压、偏置条件和增益
 
该图还显示了以下内容:
 
标记 m1表示拐点电压 (V k )。
标记 m2、m3 和 m4表示标称静态偏置条件,分别代表 A、AB 和 B类常规 PA 操作等级或模式。可以肯定的是,还有其他模式——例如,C 类偏置对应于比夹断电压更负的栅极电压,因此射频电流在输入栅极电压波形的不到半个周期内流动。
 
请记住:对于 GaN 器件,夹断电压始终为负电压。
 
各种曲线代表不同的栅源电压值,从夹断(在本例中约为  4 V)到略微正值(V gs  = 1 V)。对于该器件,请注意允许的绝对最大电流 (I max ) 约为 900 mA,击穿电压 (V BR ) 约为 118 V。
 
不同 V gs值的 IV 曲线间距与所谓的跨导 (g m ≈ ΔI ds /ΔV gs ) 有关,而跨导又与增益有关。(在该图中,V gs阶跃电压为 0.2 V。)请注意,在m4 (B 类偏置)附近,与m3(AB 类)相比,曲线间距更近。这是与 B 类具有相似效率优势的 AB 类由于更高的增益而经常受到青睐的原因之一。
 
可以获得多少射频功率?
 
上图还显示了一条蓝色虚线和一条深灰色实线,表示交流信号沿其来回摆动的可能负载线。在理想的意义上,深灰色线允许最大限度地利用 IV“运动场”,并允许信号利用最大电流和最大电压摆幅。
 
在此示例中,静态偏置电压原则上可能设置为 61 V。但是,出于可靠性和设计余量的原因,我建议使用较低的标称偏置电压(始终小于击穿电压的一半)和不同的最佳负载线(这里我们选择了28V, 上图中标注了m2、m3、m4 )。可以将器件的电源电位(对于 A 类和 B 类)的简单粗略估计为 0.25*( V dsQ -V k )* I max。对于此处显示的设备,这大约是 5 W。
 
对于给定的工艺,击穿电压趋于恒定,因此您可以通过增加栅极宽度来获得更多功率。这导致了一种称为功率密度的通用功率能力指标,对于 GaN,功率密度约为每毫米 (W/mm) 栅极宽度 5-10 瓦,而 GaAs 晶体管为 0.5 至 1 W/mm。
简单来说,为了在削波前最大化电流/电压峰值,从而优化功率输出,负载电阻将是负载线斜率的倒数(忽略器件和封装无功寄生效应)。这种最佳功率负载总是不同于从线性电路理论推导出的使器件增益最大化所需的负载。
 
GaN 扩大 IV“竞争环境”的能力
 
回到我们对功率能力的简单估计 0.25*( V dsQ -V k )* I max,您会看到我们可以通过使用以下方法获得更多功率:
 
具有更高 I max的设备
可以在更高静态电压下运行的设备
可以两者兼得的设备(更高的 I max或 V dsQ)
 
商用 GaN 工艺的击穿电压介于 100 V 和 200 V 之间,比 GaAs 击穿电压高一个数量级,也是典型 LDMOS 工艺的两倍以上。GaN 有效地扩展了前面提到的 IV 运动场的边界,而这种 IV 曲线的扩展正是使该技术对大功率 PA 设计如此令人兴奋的原因。
 
有没有我们应该担心的陷阱?
 
俘获是一种影响 GaAs 和GaN HEMT 器件操作的电现象。它发生在器件的外延层中,其中可用于增强 HEMT 通道中电流的电子基本上“被困”在表面或 GaAs 或 GaN 晶格内的缺陷状态中。这种陷波与电压有关,随着时间的推移会降低设备的运行性能,从而影响拐点电压等参数。
在 GaN 中俘获的著名后果之一称为 拐点跳出,它将 IV 曲线拐点电压向右移动,如下图所示。
 
GaN
 
好消息是非线性 GaN 模型可以帮助预测这种捕获行为。下图显示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中捕获的 Qorvo 芯片模型之一的 IV 曲线。它显示了在短脉冲条件下(例如,在 0.05% 占空比下的 0.5 µs 脉冲宽度)下两种不同的静态漏极电压(12 V 和 28 V,以下标记为V dsQ1和V dsQ2 )的仿真。
 
注意膝点电压和 Imax是如何受到这种与陷阱相关的膝点**效应的影响的。在self_heat_factor输入设置为零的情况下,该模型数据很好地再现了在 12 V 和 28 V 静态漏极电压(V gsQ设置为夹断)的短脉冲条件下测量的 IV 曲线。
 
正如我们从上面的讨论中知道的那样,这两个参数反过来会影响器件的最大功率潜力——因此模型跟踪 IV 随工作电压变化的能力可能非常重要,具体取决于应用。
 
GaN
 
非线性模型可以加快设计过程
 
了解 IV 曲线的影响和细微差别以及它们对 PA 设计的基本限制和影响非常重要。如果您是该领域的新手,希望这篇博客能帮助您了解 IV 曲线中确实有很多有用的信息!
 
选择最大化大信号功率能力的负载条件与线性共轭匹配思维有很大不同——在设计过程中使用非线性 GaN 模型可以帮助您在第一时间获得正确的设计。与其主要担心与晶体管的输出阻抗匹配,我们需要考虑如何最大化 IV“运动场”上的电流和电压摆幅,这由来自膝盖的 IV 曲线的边界控制电压和最大电流沿选定的负载线下降到夹断区域。
 
备注:
 
符号表
 
I ds :漏源电流I dsQ :漏源静态电流I max :最大电流V BR :击穿电压V d :漏极电压V ds :漏源电压V dsQ :漏源静态电压V g :栅极电压V gs :栅源电压V gsQ :栅源静态电压V k :拐点电压。IV 曲线中电压上升的位置。V po :夹断电压。设备在特定电压下关闭时的特定点。对于 GaN,夹断是负电压。
 
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