隨著第三代半導體技術的迅速發(fā)展，氮化鎵（GaN）功率器件迎來了快速發(fā)展期，從半導體器件的發(fā)展歷程可以看到，半導體器件發(fā)展的幾次飛躍都是與同時期的幾種半導體材料的出現密切相關。首先，硅（Si）材料的發(fā)現使半導體在微電子領域的應用獲得突破性進展，日用家電和計算機的廣泛應用都應該歸功于硅材料的出現。而后，砷化鎵（GaAs）材料的研究使半導體的應用進入光電子學領域，利用砷化鎵材料及與其類似的一些化合物半導體，如磷化銦（InP）等制造出的發(fā)光二極管和半導體激光器在光通信和光信息處理等領域起到了不可替代的作用，由此也帶來了VCD 和多媒體等的飛速發(fā)展。這兩代半導體器件在微波功率領域也占據著舉足輕重的地位。

1氮化鎵功率器件的特點

以Si 材料為代表的第一代半導體功率器件在VHF、UHF、L 波段、S 波段中，雷達發(fā)射功率器件已經全面替代真空管器件，其中L 波段及以下波段硅半導體功率器件的脈沖輸出功率達幾百瓦，L波段以下功率已過千瓦，S 波段輸出功率可達350W。GaAs 半導體功率器件最高工作頻率可達30GHz～100GHz，輸出功率較小。上世紀中期開始研究的第三代半導體材料氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC） 等。這些材料的共同特點是它們的能帶間隙在3.2 到3. 4eV 之間，是GaA s 和Si 能帶間隙的二至三倍。

本文重點討論氮化鎵功率器件在陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)中的應用。下面結合半導體的物理特性，對氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）的特點加以說明。

（1）輸出功率高，附加效率高

GaN HEMT 的發(fā)展得益于寬禁帶半導體AlGaN/GaN 異質結材料系統(tǒng)，從表1 可見 GaN 的擊穿場強高，比Si 和GaAs 高出數倍。具有相對低的本

征載流子產生率，由于在該異質結界面上存在自發(fā)極化和壓電極化效應，兩維電子氣濃度很高，同時電子飽和速度較高AlGaN /GaN 異質結外延生長于寬禁帶材料SiC 半絕緣襯底上，該襯底熱導率優(yōu)于金屬銅。 其良好的散熱特性有利于高功率工作［2］。GaN HEMT 還具有低寄生電容及高擊穿電壓的特性，非常適合實現高效率放大器。

氮化鎵器件的散熱效率

（2）長脈寬，高占空比

GaN HEMT 通常外延生長于寬禁帶材料SiC半絕緣襯底上，該襯底熱導率優(yōu)于金屬銅，適當控制GaN HEMT 的功率密度可輕松實現長脈寬，高占空比，在大功率連續(xù)波工作均可實現。

（3）工作頻帶寬，工作頻率高

GaN HEMT 的截止頻率直接決定了其應用的工作頻率和瞬時帶寬，它隨溝道的摻雜濃度增加而上升，雖溝道的厚度和柵長的增加而下降［ 3 ］。由于Si半導體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此Si 半導體功率器件的工作頻率只能在S 波段以下工作。GaAs 器件具有比其它器件好很多的載流子遷移率，截止頻率很高，但受擊穿場強的限制，工作電壓低，導致器件輸出功率小，GaN HEMT 具有寬的禁帶能量、高擊穿場強和高飽和電子漂移速度的特性，補償了這一不足而獲得好的高頻性能，GaN HEMT 可以工作在更高頻率同時能有高輸出功率。另外，GaN HEMT 的固有特性使得其輸入輸出阻抗較高，電路的寬帶阻抗匹配更加容易實現，使得GaN HEMT 適合寬帶應用。

（4）抗輻照能力強，環(huán)境適應性強

GaN 是極穩(wěn)定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導率、在Ⅲ—Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學穩(wěn)定性好。使得GaN 器件比Si 和GaAs 有更強抗輻照能力，同時GaN 又是高熔點材料，熱傳導率高，GaN功率器件通常采用熱傳導率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN 功率器件具有較高的結溫，能在高溫環(huán)境下工作。

CREE Ku波段70W 氮化鎵

2陣列雷達對收發(fā)系統(tǒng)的要求

氮化鎵功率器件具有工作頻帶寬、輸出功率大、效率高等特點，特別適合于陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)中應用，根據陣列雷達工作的自身特點，應用氮化鎵功率器件有以下幾點值得重點關注［ 3 ］ 。

（1） 良好的飽和工作能力

陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)通常由多級功率放大器級聯組成，為了把每一級的差異對最后輸出的影響減到最小，要求每一級都工作在飽和區(qū)，同時關注飽和狀態(tài)下的可靠性指標。

（2） 輸出脈沖前后沿

陣列雷達一般都是在脈沖狀態(tài)下工作，脈沖前后沿與雷達系統(tǒng)的時序、測量精度密切相關，如果前后沿太大可能引起時序混亂。

（3） 輸出脈沖頂降

放大器的輸出脈沖頂降和許多因素有關，在保證放大器狀態(tài)正常和外圍電路設計良好的情況下，主要是GaN HEMT 工作時自身產生的頂降。

（4） 諧波抑制

在大規(guī)模的陣列雷達系統(tǒng)，由于發(fā)射在空間的輻射功率比較大，其諧波也會對一些電子設備產生干擾，因此對二次諧波甚至三次諧波都有嚴格的要求。

（5） 輸出功率平坦度

陣列雷達通常不是在單一頻點下工作，也不是通訊模式下的幾個頻點同時工作，而是寬帶變頻和跳頻工作，有時頻率在脈沖內隨時間線性變化，則放大器的輸出功率具有相應的頻率響應特性。

（6） 相位穩(wěn)定性

對陣列雷達而言，器件的相位穩(wěn)定性直接影響雷達發(fā)射波瓣方向圖的形成，相位穩(wěn)定性在陣列雷達顯得尤為重要。

（7） 脈間噪聲

此處脈間噪聲是指雷達工作在接收狀態(tài)時，發(fā)射機產生的噪聲，脈間噪聲直接影響雷達的探測威力。

（8） 抗駐波能力和駐波狀態(tài)下的穩(wěn)定性

由于氮化鎵器件的擊穿電壓較高，其抗駐波能力也相應較好，但由于增益較高，負載失配情況下易不穩(wěn)定，一般要求在VSWR ≤3 的情況下相關指標仍能滿足要求。

3氮化鎵功率器件的應用分析

通過陣列雷達對收發(fā)系統(tǒng)的要求可見，對于氮化鎵功率器件在陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)中如何應用，選擇哪一類放大器的偏置，采用哪一種外圍電路等與此息息相關。同時許多要求與實現方式又是環(huán)環(huán)相扣，有時不得折中考慮，以下主要從放大器工作類型、偏置電路和調制電路的選取加以分析。

（1）放大器工作類型的選取

在S 波段頻率范圍內的硅雙極晶體管（BJT）通常為C 類自偏置工作，晶體管只需要一個集電極電壓，當輸入端的射頻擺動電壓超過發(fā)射極-基極結的內電位時，晶體管才吸取集電極電流，其集電極電流受到基極-發(fā)射極結之間流動的電流所控制。當雷達處于接收狀態(tài)時，器件未被驅動，此時放大器不吸取靜態(tài)直流電流，放大器沒有功率耗散，處于截至狀態(tài)，這類放大器特別適合陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)的應用。電路簡單，尤其是不需多加處理就可實現脈間噪聲小這一要求，但這類放大器同時也存在弊端，與GaN HEMT 相比，工作頻率較低，單級增益小，附加效率不高，不能在長脈寬、高占空比狀態(tài)下使用。與BJT 不同的是GaN HEMT 通常偏置在A 類或AB 類工作，其偏置狀態(tài)受柵源之間的偏置電壓控制，屬電壓控制器件。這種工作方式對小信號仍有較高的增益，而陣列雷達發(fā)射和接收通路之間雖有一定的隔離度，但產生的漏信號經過多級聯放大后，能量被放大致使雷達無法正常工作。因此，需要從偏置狀態(tài)和電源調制來考慮解決這一問題。

（2）電源調制電路的選取

GaN HEMT 和GaAs FET 類似，柵極為負偏電壓，采用漏極電源調制的方式，在接收期間關斷放大器的電源，來確保雷達接收期間噪聲要求，即脈間噪聲。GaN HEMT 漏極工作電壓高，輸出功率大，因此，完全借鑒GaAs FET 的使用經驗，是不夠的，甚至出現系統(tǒng)不能正常工作。在GaAs FET作發(fā)射使用時，發(fā)射功率不高（通常在瓦級），環(huán)路增益相對較低，通過射頻開關可以實現較好的收發(fā)隔離。而采用了GaN HEMT 通常發(fā)射功率很大（百瓦級以上），如果每級放大都偏置在A 類工作時，環(huán)路小信號增益非常高，在高集成的收發(fā)系統(tǒng)中收發(fā)隔離度難以控制，微小的擾動可以引起收發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此在用GaN HEMT 實現發(fā)射級聯時，需要適當調整偏置狀態(tài)來控制小信號的增益來保證雷達收發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。偏向B 類C 類工作時，靜態(tài)電流會減小，增益降低，采用漏極電源調時，靜態(tài)電流的減小還可導致脈沖的下降沿變差，在雷達PD 處理時下降沿變差等于增加了模糊距離，也是系統(tǒng)難以接受的，因此可采取部分偏C類工作和部分A 類漏極電源調制工作相結合，綜合考慮小信號增益，下降沿時間和脈間噪聲，找出合適的平衡點是關鍵。

4可靠應用氮化鎵功率器件途徑

提高GaN HEMT 的擊穿電壓、減小高工作電壓下器件的射頻電流偏移是提高GaN HEMT 可靠工作的有效途徑。GaN HEMT 制作中提高器件擊穿電壓的一個重要措施就是在柵上引入場調制板（Field－Modulation Plate）等專門技術，場板的引入能有效降低柵極在漏端附近的電場強度［4］，從而提高器件的擊穿電壓。脈沖工作的發(fā)射放大器會消耗很大的直流電流，設計時需要特別注意漏極偏置的寄生電感，因為它能產生很高的電壓尖峰，從而導致GaN HEMT損壞。

結束語

綜上所述，由于氮化鎵功率器件具有許多優(yōu)良性能，并在陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)中得到應用，本文主要從陣列雷達應用設計出發(fā)點來闡述了氮化鎵功率器件在陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)中的應用考慮和分析，由于篇幅所限，不能面面俱到，但對陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)的設計具有較強的針對性和指導性，可供廣大陣列雷達收發(fā)系統(tǒng)工程設計人員參考。