GaN HEMT大信號模型

GaN HEMT 為功率放大器設計者提供了對 LDMOS、GaAs 和 SiC 技術的許多改進。更有利的特性包括高電壓操作、高擊穿電壓、功率密度高達 8W/mm、fT 高達 25 GHz 和低靜態電流。另一方面，GaN RF 功率器件具有自加熱特性，并且元件參數的非線性與信號電平、熱效應和環境條件之間存在復雜的依賴關系。這些因素往往給準確預測器件大信號性能造成更多困難。

為了確保器件性能，測試設備通常用于測量器件在所需應用中的性能，但這種傳統方法存在缺點：需要開發測試硬件，并且必須進行耗時的負載牽引測量。

出于若干原因，比物理測試更受青睞的是，與實際器件的測量性能緊密匹配的大信號模型。它降低了開發成本，允許進行更深入的“假設”分析，以在進行后續工作之前確定器件是否合適；基于縮短的表征時間和將布局優化與最終性能聯系起來的能力，帶來更短的設計周期。結果是讓更多設計首次測試便獲得通過。

Wolfspeed 的 GaN HEMT 大信號模型特性

Wolfspeed 為其基于 SiC 襯底的 GaN HEMT 器件開發了極其精確的 3 端口大信號模型，該 GaN HEMT 器件具有高效率、高增益和匹配相對更容易的特點。

圖 1：Wolfspeed 的 3 端口大信號 HEMT 模型和 FET 等效電路

圖 1 顯示了大信號模型原理圖和本征 FET 等效物。該模型基于已確立的等效電路方法。數據提取相對簡單；Wolfspeed 使用各種測試夾具和測試電路，包括基波和諧波上的負載牽引。在各種頻率和器件尺寸下，還驗證了大信號負載牽引和功率驅動，以確保精確的大信號縮放。

為了成功地按大比例縮放，必須將單位晶格模型與所有操作區域的測量數據非常準確地匹配起來。有了準確且可擴展的大信號模型，就可能設計出更大功率的晶體管。3 端口 HEMT 模型在比例因子大于 100 比 1 的設計中取得了成功。非線性模型在使用 CW 條件進行測量的偏壓范圍內擬合小信號參數。

除了三個 FET 端口（柵極、源極和漏極）之外，該模型還提供本征漏電流和漏電壓波形以及芯片結溫。在設計復雜的 PA 架構（如 F 類）時，本征漏電流和電壓波形至關重要，因為它們允許設計者優化基本頻率和諧波頻率下的器件匹配。

根據需要，該模型還具有單個元件的內置過程靈敏度和非線性。例如，漏電流源是器件非線性的主要因素。柵極電流公式包括擊穿和正向傳導，寄生電容的所有電壓變化都衍生自電荷公式。

準確的封裝模型是另一關鍵因素。已經開發了一種封裝寄生互連的物理衍生建模方法，該方法包括許多不同的工具，其中包括 s 參數。

模型數據與測量數據的比較

小信號和大信號行為建模的準確性至關重要。

小信號建模對于設計者預測功率放大器設計方案的增益、回波損耗和穩定性很關鍵。Wolfspeed 模型根據不同柵寬、指尖數和偏壓范圍上的測量數據進行評估，以確保所有三個關鍵領域的模型精度：DC-IV、小信號和大信號行為。

圖 2：建模（紅色）和物理（藍色）器件性能之間小信號（左側）和大信號（右側）圖的比較。

圖 2 比較了紅色的建模數據和藍色的測量數據。左側的史密斯圖顯示，在不同的柵寬和偏壓值上，建模數據在幅值和相位上都與測量數據非常接近。對于一系列不同的電流偏壓條件，這兩種結果非常接近。

最大增益 Gmax 的精確建模對于設計者了解給定應用的最大可用增益以及展現器件在頻率上的性能至關重要。右側的 Gmax 圖與測量數據密切相關。

模型必須以 VDS 跟蹤 IV 行為，以正確描述器件的大信號性能。了解 DC IV 特性是 RF PA 設計非常重要的一個方面。

GaN 器件在柵極脈沖開關過程中，由于表面陷阱電荷的存在，膝跳和電流崩潰是常見現象。作為模型提取過程的一部分，建模行為與脈沖 IV 數據相關。在各種頻率和器件尺寸下，還驗證了大信號負載牽引和功率驅動，以確保精確的大信號縮放。負載牽引曲線讓設計者了解需要向器件提供什么阻抗才能實現所需的功率和效率。

圖 3：大信號測量數據與模型仿真的比較

圖 3 中的曲線圖顯示，建模的增益和 PA 效率都和測量數據非常吻合，遠超 1-dB 和 3-dB 壓縮點。這對于 GaN 器件至關重要，因為與等效 LDMOS 器件不同，GaN HEMT 往往會產生超過 3dB 壓縮點的最大額定功率輸出。

可觀看一段有用的視頻，其中討論了如何使用該模型來優化 PA 應用。給出了兩個示例。

當功率放大器調整為最大輸出功率時，DC IV 圖顯示負載線傳過器件的最大電流為 350mA。

第二個應用使用該模型進行調整以達到最大效率。在此應用中，負載線穿過器件耗散最小功率的點，以獲得可接受的輸出功率。結果表明，雖然輸出功率下降了 1dB，但與最大功率情況相比，效率提高了 15%。溫度端口顯示溫度僅增加12攝氏度，而不是原先設計為最大功率時溫度增加了60攝氏度。

在這兩種情況下，建模數據軌跡都與測量數據非常接近。

為了更好地了解大信號模型負載牽引數據驗證的過程，請參閱該應用說明。

結論

Wolfspeed 開發了大信號 RF 模型，證明了與測量數據之間極其準確的一致性。Wolfspeed 的代工廠（Foundry）業務使用這些模型來確保更短的循環時間、更高的可靠性和更多首次便通過測試的設計。

設計者獲得的益處包括降低開發成本、減少 PA 設計迭代次數和更高的首次通過成功率。最大的利好在于，這些模型可以免費提供給符合條件的企業。

審核編輯：郭婷