Los dispositivos de radiofrecuencia son los componentes básicos para realizar la transmisión y recepción de señales y son el núcleo de la comunicación inalámbrica, principalmente incluyendo filtros (Filter), amplificadores de potencia (PA),con una capacidad de transmisión superior a 300 WEn la actualidad, la mayoría de los dispositivos de alta frecuencia se utilizan para la detección de ruidos y para la detección de ruidos, incluidos los amplificadores de bajo ruido (LNA), los sintonizadores de antenas (Tuner) y los duplex/multiplexadores (Du/Multiplexer) y otros tipos de dispositivos.el amplificador de potencia es un dispositivo para amplificar señales de radiofrecuencia, que determina directamente parámetros clave como la distancia de comunicación inalámbrica y la calidad de la señal entre los terminales móviles y las estaciones base.

El amplificador de potencia (PA, Power Amplifier) es el componente central del front-end de RF. It uses the current control function of the triode or the voltage control function of the field effect tube to convert the power of the power supply into a current that changes according to the input signal. PA se utiliza principalmente en el enlace de transmisión. Al amplificar la señal de radiofrecuencia débil del canal de transmisión, la señal puede obtener con éxito una potencia lo suficientemente alta,para lograr una mayor calidad de comunicación y una mayor distancia de comunicaciónPor lo tanto, el rendimiento del PA puede determinar directamente la estabilidad y la fuerza de las señales de comunicación.

Aplicaciones de los dispositivos de RF

Con el desarrollo continuo de materiales semiconductores, los amplificadores de potencia también han experimentado tres rutas técnicas principales de CMOS, GaAs y GaN.El material semiconductor de primera generación es CMOSLa desventaja es que existe un límite a la frecuencia de operación y la frecuencia efectiva más alta es inferior a 3 GHz.Los materiales semiconductores de segunda generación utilizan principalmente GaAs o SiGe, que tienen un voltaje de ruptura más alto y pueden usarse para aplicaciones de dispositivos de alta potencia y alta frecuencia, pero la potencia del dispositivo es menor, generalmente inferior a 50W.El material semiconductor de tercera generación GaN tiene las características de mayor movilidad de electrones y velocidad de conmutación rápida, que compensa los defectos de las dos tecnologías tradicionales de GaAs y LDMOS basados en Si. Mientras refleja el rendimiento de alta frecuencia de GaAs, combina las ventajas de LDMOS basados en Si.capacidad de manejo de energíaPor lo tanto, es significativamente más fuerte que el GaAs en el rendimiento, tiene ventajas significativas en aplicaciones de alta frecuencia y tiene un gran potencial en la frecuencia de radio de microondas,IDC y otros camposCon la aceleración de la construcción de estaciones base 5G en todo el país, el mercado nacional de dispositivos de radiofrecuencia GaN ha crecido exponencialmente.y se espera que libere una nueva demanda de GaN PA superior a 100 mil millones de yuanesSe espera que la tasa de penetración de los dispositivos GaN RF en las estaciones base 5G alcance el 70% en los próximos tres a cinco años.

Dispositivos GaN HEMT

GaN HEMT (transistores de alta movilidad electrónica, transistores de alta movilidad electrónica de nitruro), como representante de los dispositivos semiconductores de banda ancha (WBG), tiene una mayor movilidad electrónica,velocidad de saturación de electrones y velocidad de impacto en comparación con los dispositivos Si y SiCDebido a las ventajas de los materiales, el GaN tiene excelentes características de potencia y frecuencia y baja pérdida de potencia en condiciones de funcionamiento de alta frecuencia.

GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) es un tipo de gas de electrones bidimensional (2DEG) que utiliza la acumulación de barrera de potencial profundo entre heterojunciones como canal conductor,y consigue la conducción bajo la regulación del sesgo de voltaje en los dos terminales de la puerta, fuente y drenaje. estructura del dispositivo característico. Debido al fuerte efecto de polarización en la heterojunción formada por materiales GaN,un gran número de electrones de primera unión se generan en el pozo cuántico en la interfaz de la heterojunciónLa estructura básica de un dispositivo típico AlGaN/Ga N-HEMT se muestra en la Figura 5 a continuación.La capa inferior del dispositivo es la capa de sustrato (generalmente material SiC o Si), y luego la capa de amortiguación de GaN de tipo N crecida epitaxialmente, y la capa de barrera de AlGaN de tipo P crecida epitaxialmente, formando una heterojunción AlGaN/GaN. Finalmente, la puerta (G),la fuente (S) y el drenaje (D) se depositan en la capa de AlGaN para formar contactos Schottky para el dopaje de alta concentración, y están conectados con el gas electrónico bidimensional en el canal para formar contactos ohmicos.

El VDS genera un campo eléctrico lateral en el canal bajo la acción del campo eléctrico lateral.el gas de electrones bidimensional se transporta a lo largo de la interfaz de heterojunción para formar el IDS de corriente de salida de drenajeLa puerta está en contacto Schottky con la capa de barrera de AlGaN, y la profundidad del pozo potencial en la heterojunción AlGaN/GaN se controla por la magnitud del voltaje de la puerta VGS,y la densidad superficial bidimensional del electrón gas en el canal se cambia, controlando así la densidad interna del canal. la corriente de salida de drenaje.

Apariencia del dispositivo GaN HEMT y diagrama de circuito

Diagrama esquemático de la estructura del dispositivo GaN HEMT

La evaluación de los dispositivos GaN HEMT incluye generalmente las características de CC (prueba DC l-V), las características de frecuencia (prueba del parámetro S de la señal pequeña) y las características de potencia (prueba carga-tirón).

Prueba de las características de la corriente continua

Al igual que los transistores basados en silicio, los dispositivos GaN HEMT también requieren pruebas DC l-V para caracterizar la capacidad de salida de CC y las condiciones de trabajo del dispositivo.,BVD, gfs, etc., entre los cuales la corriente de salida lps y la transconductividad gm son los dos parámetros más básicos.

GaN HEMTGaN HEMT Especificaciones del dispositivo

Curva característica de salida del dispositivo GaN HEMT

Prueba de las características de frecuencia

La prueba de parámetros de frecuencia de los dispositivos de RF incluye la medición de parámetros de señal pequeña S, intermodulación (IMD), cifra de ruido y características espurias.el ensayo del parámetro S describe las características básicas de los dispositivos de RF a diferentes frecuencias y para diferentes niveles de potencia de la señal;, y cuantifica cómo la energía de RF se propaga a través del sistema.

El parámetro S es también el parámetro de dispersión.El parámetro S es una herramienta para describir el comportamiento eléctrico de los componentes bajo la excitación de señales de alta frecuencia que exhiben características de radiofrecuenciaSe realiza por la cantidad física medible que está "dispersa".El tamaño de la cantidad física medida refleja que los componentes con características diferentes "dispersarán" la misma señal de entrada en diferentes grados.

Usando pequeños parámetros de señal S, podemos determinar las características fundamentales de RF, incluida la relación de onda de tensión de pie (VSWR), la pérdida de retorno, la pérdida de inserción o la ganancia a una frecuencia dada.Los parámetros S de señal pequeña se miden generalmente utilizando una señal de excitación de onda continua (CW) y aplicando detección de respuesta de banda estrechaSin embargo, muchos dispositivos de RF están diseñados para operar con señales pulsadas que tienen una respuesta de amplio dominio de frecuencia.Esto hace que sea difícil caracterizar con precisión los dispositivos de RF utilizando métodos estándar de detección de banda estrechaPor lo tanto, para la caracterización del dispositivo en modo pulsado, a menudo se utilizan los llamados parámetros S pulsados. Estos parámetros de dispersión se obtienen mediante técnicas especiales de medición de respuesta de impulso.En la actualidad, algunas empresas han adoptado el método de pulso para probar los parámetros S, y el rango de especificación de prueba es: ancho de pulso de 100us, 10 ~ 20% del ciclo de trabajo.

Debido a la limitación de los materiales y el proceso de producción del dispositivo GaN, los dispositivos inevitablemente tienen defectos, lo que conduce al colapso de la corriente, al retraso de la puerta y a otros fenómenos.En el estado de funcionamiento de radiofrecuencia, la corriente de salida del dispositivo disminuye y la tensión de rodilla aumenta, lo que finalmente reduce la potencia de salida y deteriora el rendimiento.se requiere un método de ensayo por pulso para obtener el estado de funcionamiento real del dispositivo en el modo de funcionamiento por pulso.En el ámbito de la investigación científica, también se está verificando el impacto del ancho de pulso en la capacidad de salida actual.

Prueba de las características de potencia (prueba de tracción de carga)

Los dispositivos GaN HEMT tienen excelentes características para adaptarse a condiciones de alta frecuencia y alta potencia.El ensayo del parámetro S de señal pequeña ha sido difícil de cumplir con los requisitos de ensayo de los dispositivos de alta potencia.La prueba de carga-tirón (testa de carga-tirón) es muy importante para la evaluación del rendimiento de los dispositivos de potencia en condiciones de trabajo no lineales, y puede ayudar al diseño de los amplificadores de potencia de RF.En el diseño de circuitos de radiofrecuencia, es necesario que los terminales de entrada y salida de los dispositivos de radiofrecuencia coincidan con el estado de correspondencia redondo común.la ganancia del dispositivo es lineal, pero cuando la potencia de entrada del dispositivo se incrementa para que funcione en un estado no lineal de señal grande, debido a la potencia de tracción del dispositivo, se obtendrá la mejor impedancia del dispositivo.El punto se ha desplazadoPor lo tanto, con el fin de obtener el mejor punto de impedancia y los parámetros de potencia correspondientes, tales como la potencia de salida y la eficiencia del dispositivo RF en el estado de trabajo no lineal,es necesario realizar un ensayo de carga-tirón de señal grande en el dispositivo.El valor de impedancia de la carga emparejada se utiliza para encontrar el mejor punto de impedancia.ganancia de potencia (ganancia), la densidad de potencia de salida (Pout) y la eficiencia de potencia agregada (PAE) son parámetros de consideración importantes para las características de potencia de los dispositivos GaN RF.

Sistema de ensayo de las características de la corriente continua I-V basado en la serie S/CS de medición de la fuente

Todo el conjunto del sistema de prueba se basa en el medidor de medición de la fuente de la serie S/CS Precise, con estación de sonda y software de prueba especial, se puede utilizar para GaN HEMT, GaAs RF dispositivo de prueba de parámetros de CC,incluida la tensión de umbral, corriente, curva de características de salida, etc.

Métro de medición de la fuente CC de la serie S/CS

El medidor de fuente de la serie S es el primer medidor de fuente localizado con alta precisión, gran rango dinámico y toque digital que PRECISE ha construido durante muchos años.Integra varias funciones tales como entrada y salida de voltaje y corriente, y medición. El voltaje máximo es de 300V y la corriente máxima es de 1A. Soporta trabajo de cuatro cuadrantes, soporta modos de escaneo lineal, logarítmico, personalizado y otros.Puede utilizarse para el ensayo de las características DC l-V de los materiales RF GaN y GaAs en producción e I + D, así como las papas fritas.

El medidor de medición de fuentes enchufable de la serie CS (host + sub-card) es un producto de prueba modular lanzado para escenarios de prueba multicanal.Se pueden seleccionar hasta 10 sub-tarjetas para el dispositivo de medición de fuente plug-in Precise, que tiene múltiples funciones tales como voltaje y corriente de entrada y salida, y medición.y tiene una alta densidad de canales. , Función de activación sincrónica fuerte, alta eficiencia de combinación de varios dispositivos, etc.

Para el ensayo de las características de corriente continua de los dispositivos RF, el voltaje de la puerta es generalmente de ± 10 V y los voltajes de la fuente y el desagüe de 60 V. Además, dado que el dispositivo es de tres puertos,Se requieren al menos dos unidades de medida de fuente S o dos tarjetas hijas CS de dos canales..

Prueba de la curva de las características de salida

En el caso de una determinada puerta y fuente de voltaje VGs, la curva de cambio entre la fuente y el drenaje de corriente lbs y la tensión Vos se llama la curva de características de salida.,Además, mediante la prueba de diferentes valores de voltaje Vcs de la puerta y de la fuente, se puede obtener un conjunto de curvas características de salida.

Prueba de transconductividad

La transconductividad gm es un parámetro que caracteriza la capacidad de control de la puerta del dispositivo al canal.cuanto más fuerte sea la capacidad de control de la puerta al canal.

Se define como gm=dlDs/dVgo. En condiciones de tensiones constantes de la fuente y el drenaje, se ensaya la curva de cambio entre las lD de corriente de la fuente y el drenaje y las VG de voltaje de la puerta y de la fuente,y el valor de transconductividad se puede obtener derivando la curvaEntre ellos, el lugar donde el valor de transconductividad es el más grande se llama gm,max.

Sistema de ensayo característico de pulso I-V basado en un medidor preciso de la fuente de pulso de la serie Р/fuente de pulso de tensión constante de la serie CP

Todo el sistema de ensayo se basa en la unidad de medición de la fuente de pulso de la serie Psys P/fuente de pulso de voltaje constante CP, con estación de sonda y software de ensayo especial, puede utilizarse para GaN HEMT,Prueba del parámetro IV de pulso del dispositivo de RF GaAs, especialmente el dibujo de la curva de características de salida de pulso IV.

Medidor de la fuente de pulso de la serie P

El medidor de fuente de pulso de la serie P es un medidor de fuente de pulso de alta precisión, alta potencia y amplio rango de prueba lanzado por PRECISE,que integra múltiples funciones tales como entrada y salida de voltaje y corriente, y medición. El producto tiene dos modos de trabajo de corriente continua e impulso. El voltaje de salida máximo es de 300V, la corriente de salida de impulso máxima es de 10A, el voltaje máximo es de 300V,y la corriente máxima es 1AApoya operaciones de cuatro cuadrantes y soporta modos de escaneo lineal, logarítmico, personalizado y otros.Puede utilizarse para el ensayo característico L-V pulsado de materiales y chips de radiofrecuencia GaN y GaAs en producción e investigación y desarrollo.

Prueba de la curva característica de salida del pulso

Debido a las limitaciones de los materiales y procesos de producción del dispositivo GaN, existe un efecto de colapso de corriente.y no se puede lograr el estado de trabajo ideal de alta potenciaEl método de ensayo característico de salida de pulso consiste en aplicar una señal de voltaje de pulso periódico a la puerta y al drenaje del dispositivo de forma sincrónica.y el voltaje de la puerta y el drenaje cambiará alternativamente entre el punto de funcionamiento estático y el punto de funcionamiento efectivo sincrónicamenteCuando Vcs y Vos son voltajes efectivos, se supervisa la corriente del dispositivo.La investigación demuestra que los diferentes voltajes de funcionamiento de quiescencia y anchos de pulso tienen diferentes efectos sobre el colapso de la corriente.

Sistema de ensayo de parámetros de pulso S basado en una fuente de pulso de tensión constante de la serie Precise CP

Todo el sistema de prueba se basa en la fuente de pulso de voltaje constante de la serie Pousse CP, con analizador de red, estación de sonda, accesorio Bias-tee y software de prueba especial.Sobre la base del ensayo del parámetro S de la pequeña señal de CC, puede realizarse la prueba de parámetros de pulso S de dispositivos de RF GaN HEMT y GaAs.

Resumen

Wuhan Precise se ha centrado en el desarrollo de instrumentos y sistemas de prueba de rendimiento eléctrico en el campo de los dispositivos de potencia, los dispositivos de radiofrecuencia y los semiconductores de tercera generación.Fuente de gran corriente de pulso, tarjeta de adquisición de datos de alta velocidad, fuente de voltaje constante de pulso y otros productos de instrumentos y un conjunto completo de sistemas de ensayo.Los productos se utilizan ampliamente en el campo del análisis y ensayo de materiales y dispositivos de semiconductores de potenciaDe acuerdo con las necesidades de los usuarios, podemos proporcionar soluciones integrales para pruebas de rendimiento eléctrico con alto rendimiento,alta eficiencia y rendimiento de alto costo