宽禁带半导体高效率功率放大器技术研究

摘要

宽禁带半导体为第三代半导体,其中最具有代表性的是氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN high mobility transistor, HEMT)。GaN HEMT具有二维电子气(Two-dimensional electron gas,2DEG)密度高,击穿电压高,功率密度大,电子饱和漂移速度高等优点,非常适合于制作大功率、高效率、高频率器件。
　　众所周知开关模式,如E类、F类、F-1类,在设计高效率功率放大器中已经得到一定程度的认可,对他们的研究也在不断的深入。本文对 E类、F类、F-1类工作模式的功率放大器的原理与设计方法进行了讨论。本文针对GaN HEMT的性能特点,开展的工作和创新如下:
　　基于国产工艺GaN HEMT器件,并且针对GaN HEMT有一较大的输出寄生电容Cds,采用输出端添加补偿结构的方式,设计制作了一款Ku波段工作频带为13.7GHz~14.2GHz的 E类功率放大器,晶体管栅宽400μm。实测输出功率大于30dBm,漏极效率大于40％,峰值漏极效率大于46％。
　　针对 AB类功率放大器线性度好,效率较差,而逆 F类功率放大器效率高,但线性度差的特点,基于某单位自主设计研发的GaN HEMT,设计了一个AB/逆F类多模式功率放大器,工作频段S波段2.7GHz~3.5GHz,实测输出功率大于36dBm,漏极效率大于55％,峰值漏极效率大于72％。通过调节其栅极偏置电压可以控制功率放大器分别工作在 AB类工作状态,或者逆 F类工作状态。在无线通讯系统中,可根据实际情况,当需要功率放大器提供较高线性度时,调节其栅极偏置电压使其工作在AB类工作状态;当需要功率放大器提供较高效率时,调节其栅极偏置电压使其工作在逆F类工作状态。
　　本文对于宽禁带半导体高效率功率放大器的设计具有指导意义。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 发展动态

1.3 本文主要内容

第二章AlGaN/GaN HEMT物理机理

2.1 AlGaN/GaN HEMT的物理机理

2.2 高电子迁移率器件热效应

2.3 功率晶体管的主要参数指标

2.4 本章小结

第三章 功率放大器原理

3.1“经典”功率放大器的原理与设计

3.2 开关模式功率放大器

3.3 本章小结

第四章 E类功率放大器设计

4.1 直流特性分析

4.2 负载牵引与源牵引

4.3 匹配网络设计

4.4 谐波平衡分析

4.5 基片与腔体设计

4.6 测试与分析

4.7 本章小结

第五章 AB/逆F多模式功率放大器设计

5.1 直流特性分析

5.2 负载牵引与匹配网络设计

5.3 谐波平衡分析

5.2 基片与腔体设计

5.6 测试与分析

5.7 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果