使用 GaN 器件进行设计的 5 个考虑因素
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图 1：典型的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）结构
偏置序列
通常，大多数 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）射频场效应晶体管（FET）器件在零偏置时处于导通状态，即开启状态。这意味着它们是耗尽型（D 模式）器件。在开启漏极电压之前，需要施加负的栅极 - 源极偏置电压才能将其关闭。施加负的栅极 - 源极偏置电压有助于限制静态电流，以实现正确的 AB 类操作。开启序列可以通过外部偏置电路、制造过程进行控制，或者通过专为这种控制目的而设计的氮化镓偏置芯片进行控制。例如，Qorvo 的 ACT41000 是一款可编程输出、低噪声的 DC-DC 降压转换器，带有辅助偏置电源稳压器。Ampleon 也有一份出色的应用说明，详细介绍了用于 50V 氮化镓演示板的偏置模块。
Vgs 漂移
在氮化镓器件中建立稳定的 AB 类工作点后，通常会观察到，即使在固定的 Vgs（最大栅极 - 源极电压）电压设置下，漏极电流也会随时间呈对数变化。这种现象称为 Vgs 电流漂移。Vgs 电流漂移发生的原因是，在 HEMT 通道的表面外延区域中的陷阱（缺陷）会逐渐充满反向偏置的正电荷。这会改变器件内部的固有 Vgs 电压，并在没有施加射频能量时改变稳态 AB 类漏极电流。
通过重新调整栅极电压和初始偏置设置，可以将漏极电流重置回初始设置。然而，在器件的整个使用寿命期间，电流可能会持续漂移，尽管在最初的漂移发生后，漂移速率会非常低。在存在较大射频信号的情况下，陷阱 / 缺陷的填充速度会加快。在大射频信号驱动条件下，漏极电流会增加到适当的水平，以实现最大输出功率和效率。大多数器件可以接受相对较宽范围的初始 AB 类偏置设置，并且仍然能够保持良好的性能一致性。一种缓解方法是在 AlGaN 器件中将初始偏置设置略高于最优值。经过短暂的 24-48 小时老化后，初始设置会漂移到期望的范围内。
温度补偿要求
在碳化硅基 AlGaN/GaN HEMT 器件中，一致且固定的 AB 类偏置设置还依赖于器件的工作温度。随着器件导电通道的温度变化，栅极偏置电压也必须变化以补偿这种波动。在典型的氮化镓器件中，栅极偏置电压需要针对器件本身每摄氏度上升约 +1 毫伏。然而，器件的工作温度还取决于散热器和整个放大器的温度。大多数偏置电路都配备了一种散热器温度监测传感器，该传感器能够主动测量散热器的温度，并调整施加到器件上的偏置电压，通常约为每摄氏度 +2 毫伏。
Vgs 和 Idq 随温度变化的曲线图：
图 2：在固定 Vgs 偏置设置下典型的 Idg 随温度变化曲线
图 3：在固定 Idq 偏置设置下典型的 Vgs 变化与温度关系曲线
栅极漏电流
尽管许多 AlGaN/GaN HEMT 射频器件是场效应晶体管（FET），但由于栅极终端是一个（有漏电流的）肖特基二极管，因此仍存在少量的栅极漏电流。偏置电路必须能够在栅极处吸收和提供电流，以在不同的射频驱动电平下保持一致的偏置水平。栅极漏电流是双向流动的。在低射频驱动电平下，电流从器件流出并进入偏置电路。在高射频驱动电平下，由于栅极二极管对射频驱动的整流作用，栅极电流会流入器件。栅极漏电流的大小与器件的尺寸和功率相关。与小型器件相比，大型晶体管的栅极漏电流会更高。偏置电路必须能够考虑栅极漏电流的范围并相应地进行控制。
用于平均故障前时间（MTTF）计算的热测量过程
AlGaN 和碳化硅基 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）的可靠性取决于活性通道中栅极和漏极之间通道的温度。当通道的导电性由于栅极吸收失效机制（即栅极金属原子向通道扩散）而下降 10% 时，器件就会出现“失效”。
图 4：典型的氮化镓器件热堆叠结构
由于通道结构较小且活性通道内有金属化层，因此无法使用红外（IR）显微镜直接测量器件的工作温度。相反，可以通过对通道结构的三维模型进行有限元分析来模拟工作温度。
验证三维 ANSYS 模型需要创建直流测试结构，并使用专用红外显微镜进行测量。这些显微镜必须考虑其较大的光斑尺寸限制，并使三维模型尺寸与红外相机的尺寸相匹配。如果测量值与模型值的误差在 5% 以内，则认为模型是准确的。
热测量计算和图表
图 5 给出了一个用于计算器件热阻的方程示例。图 6 和图 7 展示了在固定 Idq 偏置设置下，Vgs 变化与温度的典型关系曲线。
图 5：用于计算典型器件热阻的射频器件能量流动示例
图 6：器件的热阻也随脉冲宽度和占空比的变化而变化。大多数器件数据手册会显示类似于上图的热阻曲线。随着脉冲宽度和占空比的减小，热阻降低；相反，随着脉冲宽度和占空比的增加，热阻会升高，直到曲线收敛于一个单一数值，这就是器件的连续波（CW）热阻额定值
图 7：此图基于在相对较短时间内实际测量的数据，显示了外推预测的平均故障前时间（MTTF）。
平均故障前时间（MTTF）计算
在 AlGaN 器件中，平均故障前时间（MTTF）是指由于栅极下沉导致通道电阻增加 10% 的时间。它是通过测试结构进行测量和外推的。这些测试结构在极高的温度下长时间测量，以收集有关制造商各种 GaN 结构的实际数据。图 7 左上角的数据框是实际数据点，持续时间约为 5000 小时。然后将 225°C 的故障率外推到 10,000,000 小时（1000 年）的范围。
显然，预测 GaN 器件的 MTTF 并非易事。它涉及许多不同的测量和模拟工具。在执行良好的模拟中，预测的 MTTF 应在器件实际生命周期的 ±5% 以内。
总之，与传统基站设计中使用的标准 LDMOS 器件相比，GaN HEMT 器件具有不同的设计挑战。这两种技术各有优缺点。考虑这五个 GaN 设计因素和挑战可能是一项艰巨的任务，但性能权衡通常值得投入时间。GaN 为寻求更高效率、更高功率密度或更高工作频率的设计人员提供了一些理想的替代方案。
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