概述—射頻

        射頻器件是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的基礎(chǔ)部件,是無線通訊的核心,主要包括濾波器(Filter)、功率放大器(PA)、射頻開關(guān)(Switch)、低噪聲放大器(LNA)、天線調(diào)諧器(Tuner)和雙/多工器(Du/Multiplexer)等類型器件。其中,功率放大器是放大射頻信號(hào)的器件,直接決定移動(dòng)終端和基站的無線通信距離、信號(hào)質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)。

        功率放大器(PA,Power Amplifier)是射頻前端的核心部件,利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。PA主要用于發(fā)射鏈路,通過把發(fā)射通道的微弱射頻信號(hào)放大,使信號(hào)成功獲得足夠高的功率,從而實(shí)現(xiàn)更高通信質(zhì)量、更遠(yuǎn)通信距離。因此,PA的性能可以直接決定通信信號(hào)的穩(wěn)定性和強(qiáng)弱。

圖1∶射頻器件的應(yīng)用

        隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展,功率放大器也經(jīng)歷了CMOS.GaAs.GaN三大技術(shù)路線。第一代半導(dǎo)體材料是CMOS,技術(shù)成熟且產(chǎn)能穩(wěn)定,缺點(diǎn)是工作頻率存在極限,最高有效頻率在3GHz以下。第二代半導(dǎo)體材料主要使用GaAs或SiGe,有較高的擊穿電壓,可用于高功率、高頻器件應(yīng)用,但其器件功率較低,通常低于50W。第三代半導(dǎo)體材料GaN具有更高的電子遷移率，開關(guān)速度快的特點(diǎn),彌補(bǔ)了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷,在體現(xiàn)GaAs高頻性能的同時(shí),結(jié)合了Si基LDMOS的功率處理能力。因此,在性能上顯著強(qiáng)于GaAs,在高頻應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著,在微波射頻、IDC等領(lǐng)域潛力巨大。隨著全國5G基站建設(shè)的加速,國內(nèi)GaN射頻器件市場(chǎng)成倍增長(zhǎng),預(yù)計(jì)釋放超千億元的GaN PA新需求。未來三到五年GaN射頻器件在5G基站的滲透率預(yù)計(jì)達(dá)到70%。

圖2:不同材料的射頻器件應(yīng)用

圖3:不同材料的射頻器件特點(diǎn)

GaN HEMT器件

        GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors,氮化家高電子遷移率晶體管)作為寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件的代表,相比于Si和SiC器件,具有更高的電子遷移率、飽和電子速度和擊穿電場(chǎng)。由于材料上的優(yōu)勢(shì),GaN在高頻率工作狀態(tài)下具有優(yōu)異的功率以及頻率特性,和較低的功率損耗。

        GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)就是一種利用異質(zhì)結(jié)間深勢(shì)壘囤積的二維電子氣(2DEG)作為導(dǎo)電溝道,在柵、源、漏二端電壓偏置的調(diào)控下達(dá)成導(dǎo)電特性的器件結(jié)構(gòu)。由于GaN材料形成的異質(zhì)結(jié)存在著很強(qiáng)的極化效應(yīng),異質(zhì)結(jié)界面處的量子阱中產(chǎn)生了大量首束縛的電子,稱為二維電子氣。典型AlGaN/Ga N-HEMT器件的基本結(jié)構(gòu)如下圖5所示,器件最底層是襯底層(一般為SiC或Si材料),然后外延生長(zhǎng)N型GaN緩沖層,外延生長(zhǎng)的P型AIGaN勢(shì)壘層,形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。最后在AIGaN層上淀積形成肖特基接觸的柵極(G)、源極(S)和漏極(D)進(jìn)行高濃度摻雜,并與溝道中的二維電子氣相連形成歐姆接觸。

        漏源電壓VDS使得溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向電場(chǎng),在橫向電場(chǎng)作用下,二維電子氣沿異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行輸運(yùn)形成漏極輸出電流IDS。柵極與AlGaN勢(shì)壘層進(jìn)行肖特基接觸,通過柵極電壓VGS的大小,控制AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中勢(shì)阱的深度,改變溝道中二維電子氣面密度的大小,從而控制溝道內(nèi)的漏極輸出電流。

圖4: GaN HEMT器件外觀與電路示意圖

圖5: GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖

    GaN HEMT器件的評(píng)估一般包含直流特性(直流l-V測(cè)試)、頻率特性(小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試)、功率特性(Load-Pull測(cè)試)。

直流特性測(cè)試

        與硅基晶體管一樣,GaN HEMT器件也需要進(jìn)行直流l-V測(cè)試,以表征器件的直流輸出能力以及工作條件。其測(cè)試參數(shù)包括:Vos、IDs、BVGD、BVDs、gfs等,其中輸出電流lps以及跨導(dǎo)gm是最為核心的兩個(gè)參數(shù)。

圖6:GaN HEMTGaN HEMT器件規(guī)格參數(shù)

圖7:GaN HEMT器件輸出特性曲線

頻率特性測(cè)試

        射頻器件的頻率參數(shù)測(cè)試包含小信號(hào)S參數(shù)、互調(diào)(IMD)、噪聲系數(shù)和雜散等特性的測(cè)量。其中,S參數(shù)測(cè)試描述了RF器件在不同頻率下和對(duì)于信號(hào)的不同功率水平的基本特性,量化了RF能量是如何通過系統(tǒng)傳播。

        S參數(shù)也就是散射參數(shù)。S參數(shù)是一種描述元器件在表現(xiàn)為射頻特性的高頻信號(hào)激勵(lì)下的電氣行為的工具,它描述的方法是以元器件對(duì)入射信號(hào)作出反應(yīng)(即“散射”)后,從元器件外部“散射”出的可測(cè)量的物理量來實(shí)現(xiàn)的,測(cè)量到的物理量的大小反應(yīng)出不同特性的元器件會(huì)對(duì)相同的輸入信號(hào)“散射”的程度不一樣。

        使用小信號(hào)S參數(shù),我們可以確定基本RF特性,包括電壓駐波比(VSWR)、回報(bào)損耗、插入損耗或給定頻率的增益。小信號(hào)S參數(shù)通常均利用連續(xù)波(CW)激勵(lì)信號(hào)并應(yīng)用窄帶響應(yīng)檢測(cè)來測(cè)量。但是,許多RF器件被設(shè)計(jì)為使用脈沖信號(hào)工作,這些信號(hào)具有寬頻域響應(yīng)。這使得利用標(biāo)準(zhǔn)窄帶檢測(cè)方法精確表征RF器件具有挑戰(zhàn)性。因此,對(duì)于脈沖模式下的器件表征,通常使用所謂的脈沖S參數(shù)。這些散射參數(shù)是通過特殊的脈沖響應(yīng)測(cè)量技術(shù)獲得的。目前,已有企業(yè)采取脈沖法測(cè)試S參數(shù),測(cè)試規(guī)格范圍為:100us脈寬,10~20%占空比。

        由于GaN器件材料以及生產(chǎn)工藝限制,器件不可避免存在缺陷,導(dǎo)致出現(xiàn)電流崩塌、柵極延遲等現(xiàn)象。在射頻工作狀態(tài)下,器件輸出電流減小、膝電壓增加，最終使得輸出功率減小,性能惡化。此時(shí),需采用脈沖測(cè)試的方式,以獲取器件在脈沖工作模式下的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)?？蒲袑用?也在驗(yàn)證脈寬對(duì)電流輸出能力的影響,脈寬測(cè)試范圍覆蓋0.5us~5ms級(jí)別,10%占空比。

功率特性測(cè)試(Load-pull測(cè)試)

        GaN HEMT器件具有適應(yīng)高頻率、高功率工況的優(yōu)異特性,因此,小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試已難以滿足大功率器件的測(cè)試需求。負(fù)載牽引測(cè)試(Load-Pull測(cè)試)對(duì)于功率器件在非線性工作狀態(tài)下的性能評(píng)估至關(guān)重要,能夠?yàn)樯漕l功率放大器的匹配設(shè)計(jì)提供幫助。在射頻電路設(shè)計(jì)中,需要將射頻器件的輸入輸出端都匹配到共輪匹配狀態(tài)。當(dāng)器件處于小信號(hào)工作狀態(tài)下時(shí),器件的增益是線性的,但是當(dāng)增大器件的輸入功率使得其工作在大信號(hào)非線性狀態(tài)時(shí),由于器件會(huì)發(fā)生功率牽引,會(huì)導(dǎo)致器件的最佳阻抗點(diǎn)發(fā)生偏移。因此為了獲得射頻器件在非線性工作狀態(tài)下的最佳阻抗點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的輸出功率、效率等功率參數(shù),需在對(duì)器件進(jìn)行大信號(hào)負(fù)載牽引測(cè)試,使器件在固定的輸入功率下改變器件輸出端所匹配的負(fù)載的阻抗值,找到最佳阻抗點(diǎn)。其中,功率增益(Gain)、輸出功率密度(Pout)、功率附加效率(PAE)是GaN射頻器件功率特性的重要考量參數(shù)。

基于普賽斯S/CS系列源表的直流l-V特性測(cè)試系統(tǒng)

        整套測(cè)試系統(tǒng)基于普賽斯S/CS系列源表,配合探針臺(tái)以及專用測(cè)試軟件,可用于GaN HEMT、GaAs射頻器件直流參數(shù)測(cè)試,包括閾值電壓、電流、輸出特性曲線等。

S/CS系列直流源表

        S系列源表是普賽斯歷時(shí)多年打造的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍、數(shù)字觸摸的率先國產(chǎn)化源表,集電壓、電流的輸入輸出及測(cè)量等多種功能,最大電壓300V,最大電流1A,支持四象限工作,支持線性、對(duì)數(shù)、自定義等多種掃描模式?？捎糜谏a(chǎn)、研發(fā)中的GaN、GaAs射頻材料以及芯片的直流l-V特性測(cè)試。

        CS系列插卡式源表(主機(jī)+子卡)是針對(duì)多通道測(cè)試場(chǎng)景推出的模塊化測(cè)試產(chǎn)品。普賽斯插卡式源表單臺(tái)設(shè)備最高可選配10張子卡,具有電壓、電流的輸入輸出及測(cè)量等多種功能,最大電壓300V,最大電流1A,支持四象限工作,具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強(qiáng)、多設(shè)備組合效率高等特點(diǎn)。

        對(duì)于射頻器件的直流特性測(cè)試,其柵極電壓一般在±10V以內(nèi),源、漏端電壓在60V以內(nèi)。此外,由于器件為三端口類型,因此,至少需2臺(tái)S源表,或者2通道CS子卡。

圖16：S系列源表

輸出特性曲線測(cè)試

        在柵、源電壓VGs一定的情況下,源、漏電流lbs與電壓Vos之間的變化曲線,稱為輸出特性曲線。隨著Vos的增加而不斷,電流los也不斷增加至飽和狀態(tài)。此外,通過測(cè)試不同柵、源電壓Vcs值,可以獲得一組輸出特性曲線。

跨導(dǎo)測(cè)試

        跨導(dǎo)gm是表征器件柵極對(duì)溝道控制能力強(qiáng)弱的參數(shù),跨導(dǎo)值越大,說明柵極對(duì)溝道的控制能力越強(qiáng)。

        其定義為gm=dlDs/dVgo在源、漏電壓一定的情況下,測(cè)試源、漏電流lDs與柵、源電壓VGs之間的變化曲線,并對(duì)曲線進(jìn)行求導(dǎo),即可得到跨導(dǎo)值。其中,跨導(dǎo)值最大的地方稱為gm,max。

基于普賽斯Р系列脈沖源表/CP系列恒壓脈沖源的脈沖I-V特性測(cè)試系統(tǒng)

        整套測(cè)試系統(tǒng)基于普賽斯P系列脈沖源表/CP恒壓脈沖源,配合探針臺(tái)以及專用測(cè)試軟件,可用于GaN HEMT 、GaAs射頻器件脈沖I-V參數(shù)測(cè)試,尤其是脈沖l-V輸出特性曲線的繪制。

P系列脈沖源表

        P系列脈沖源表是普賽斯推出的高精度、強(qiáng)輸出、寬測(cè)試范圍的脈沖式源表,集電壓、電流的輸入輸出及測(cè)量等多種功能。產(chǎn)品具有直流、脈沖兩種工作模式。最大輸出電壓達(dá)300V,最大脈沖輸出電流達(dá)10A,最大電壓300V,最大電流1A,支持四象限工作,支持線性、對(duì)數(shù)、自定義等多種掃描模式?？捎糜谏a(chǎn)、研發(fā)中的GaN、GaAs射頻材料以及芯片的脈沖式l-V特性測(cè)試。

CP系列脈沖恒壓源

        普賽斯CP系列脈沖恒壓源是武漢普賽斯儀表推出的窄脈寬、高精度寬量程插卡式脈沖恒壓源。設(shè)備支持窄脈沖電壓輸出,并同步完成輸出電壓及電流測(cè)量;支持多設(shè)備觸發(fā)實(shí)現(xiàn)器件的脈沖l-V掃描等;支持輸出脈沖時(shí)序(如delay.pulse width、period 等)調(diào)節(jié),可輸出復(fù)雜曲線。其主要特點(diǎn)有:脈沖電流大,最高可至10A;脈沖寬度窄,最小可低至100ns;支持直流、脈沖兩種電壓輸出模式;支持線性、對(duì)數(shù)以及自定義多種掃描工作方式。產(chǎn)品可應(yīng)用于氮化家、砷化竊等材料構(gòu)成的高速器件的I-V測(cè)試。

        對(duì)于射頻器件的脈沖式l-V特性測(cè)試,其柵極電壓—般在±10V以內(nèi),源、漏端電壓在±60V以內(nèi),脈沖寬度從0.5us~500us不等，占空比為10%或20%。此外，由于器件為三端口類型,因此,至少需2臺(tái)Р源表,或者2通道CP子卡。

圖26：P系列脈沖源表

脈沖輸出特性曲線測(cè)試

        由于GaN器件材料以及生產(chǎn)工藝限制,存在電流崩塌效應(yīng)。因此,器件在脈沖條件下工作時(shí)會(huì)存在功率下降,無法達(dá)到理想的大功率工作狀態(tài)。脈沖輸出特性測(cè)試方法為，在器件的柵極和漏極同步施加周期性脈沖電壓信號(hào),柵極和漏極的電壓會(huì)同步在靜態(tài)工作點(diǎn)和有效工作點(diǎn)之間進(jìn)行交替變化。在Vcs和Vos為有效電壓時(shí),對(duì)器件電流進(jìn)行監(jiān)測(cè).研究證明,不同的靜態(tài)工作電壓以及脈寬長(zhǎng)度對(duì)電流崩塌有不同影響。

基于普賽斯CP系列恒壓脈沖源的脈沖S參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

        整套測(cè)試系統(tǒng)基于普賽斯CP系列恒壓脈沖源,配合網(wǎng)絡(luò)分析儀、探針臺(tái)、Bias-tee夾具,以及專用測(cè)試軟件。在直流小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)GaN HEMT 、GaAs射頻器件脈沖S參數(shù)測(cè)試。

總結(jié)

        武漢普賽斯一直專注于功率器件、射頻器件以及第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域電性能測(cè)試儀表與系統(tǒng)開發(fā),基于核心算法和系統(tǒng)集成等技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì),率先自主研發(fā)了高精度數(shù)字源表、脈沖式源表、脈沖大電流源、高速數(shù)據(jù)采集卡、脈沖恒壓源等儀表產(chǎn)品以及整套測(cè)試系統(tǒng)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在功率半導(dǎo)體材料與器件、射頻器件、寬禁帶半導(dǎo)體的分析測(cè)試領(lǐng)域。可根據(jù)用戶的需求,提供高性能、高效率、高性價(jià)比的電性能測(cè)試綜合解決方案。

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