GaN HEMT微波段开关器件及开关电路研究

摘要

氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体料，具有高热导率、高击穿电压、高电子漂移率、耐高温、耐高压、抗辐照等优势，适用于毫米波数字相控阵雷达系统当中。T/R组件是雷达系统的核心部件，其性能的优劣直接影响雷达系统的发展。作为收发系统中的前端组件，开关电路的插入损耗、隔离度、开关时间以及功率容量等诸多指标对于整个收发系统的噪声系数以及输出功率等性能影响巨大。本文以AlGaN/GaN HEMT开关器件以及开关电路为核心，主要开展了以下工作：
　　首先，分析了AlGaN/GaN HEMT作为开关器件的主要工作原理，开关器件主要工作在线性区与截止区两个区域，分别对应了开关器件的开启状态与截止状态。同时，研究了不同器件结构参数对开关器件性能的影响。其中包括开关器件的源漏间距、栅极宽度、单管与双管串联结构、单栅与双栅结构、栅极附加偏置电阻阻值等因素对开关器件的插入损耗、隔离度、功率容量以及开关时间等性能的影响。
　　其次，基于中国科学院微电子研究所高频高压中心研究室的化合物半导体工艺线自主研发的0.25μm栅长的AlGaN/GaN HEMT开关器件。介绍了分别利用OPEN结构测试方法或者反向截止方法如何提取开关器件的寄生电容；利用SHORT测试结构方法或者反向截止方法结合无偏置方法提取开关器件的寄生电感与寄生电阻。基于开关器件自身结构特性，研究出了一种新的本征参数提取方法，通过该方法提取得到了开关器件的本征参数。在5GHz-40GHz频段内，AlGaN/GaN HEMT开关器件的小信号模型的拟合度非常好，误差因子均小于3.85％。
　　最后，设计了一款DC-6GHz的GaN基大功率单刀双掷开关电路。首先，介绍了开关电路的具体设计流程、指标要求、电路拓扑结构、开关器件选择，原理图仿真、版图和原理图仿真、版图的绘制等。对所制作的开关芯片进行了DC直流特性、小信号 S参数、连续波功率容量、开关时间等性能指标的在片测试。测试结果显示在DC-6GHz的工作频带内，开关电路的插入损耗的绝对值小于0.687dB，隔离度的绝对值大于40dB，1dB压缩功率为27.5dBm，开启时间为7.98ns，关断时间为8.93ns，面积只有1.85mm×1.0mm。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 GaN基SPDT的发展现状

1.3本文主要研究内容

第二章GaN HEMT开关器件结构及其影响因素研究

2.1GaN HEMT开关器件的工作原理

2.2器件结构对性能的影响研究

2.3本章小结

第三章GaN HEMT开关器件小信号等效电路建模

3.1GaN HEMT开关器件小信号模型

3.2开关器件小信号模型参数提取

3.3模型的拟合与准确性评估

3.4本章小结

第四章 DC-6GHz GaN基单刀双掷开关电路

4.1射频开关电路的主要技术指标

4.2 DC-6GHz GaN基单刀双掷开关电路

4.3本章小结

第五章 总结与展望

附图

参考文献

致谢

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