SiC微波半导体在T_R组件中的应用前景
第6期2008年12月
Journal of C AE I T
Vol . 3No . 6Dec . 2008
工程与应用
S iC 微波半导体在T /R组件中的应用前景
张福琼
(南京电子技术研究所, 南京 210013)
摘 要:简述了Si C 微波半导体的特性, 通过与Si 相关特性的比较, Si C 在击穿电压、热传导率、增益特性等方面具有的显著优势, 分析了Si C 微波器件在有源相控阵雷达T/R组件中的应用前景, 对T/R组件微波关键技术, 功率放大链、高功率限幅器、低噪声接收机前端等微波半导体电路的设计思路进行了讨论, 及Si C 微波器件在T/R组件中的潜在应用, 比较了Si 和Si C 时代, 关键电路的特性及其技术状态, 以及对未来军事电子设备相控阵雷达T/R组件发展的重要性。关键词:宽禁带半导体; 碳化硅微波器件; T/R组件中图分类号:T N303 文献标识码:A 文章编号:167325692(2008) 062631The Foreground of Appli ca ti on of S i n 2qong
I of Electr onics Technol ogy, Nanjing 210013, China )
of Si C m icr o wave se m iconduct or is intr oduced . Compared with Si se m iconduct or, Si C has re markable advantages in breakdown electric 2field intensity, heat conducti on rate and gain char 2acteristic . The app licati on of active phased array radar and T/Rmodules are discussed in this paper . A l 2s o discussed is the key technol ogy of m icr owave about T/Rmodules in power a mp lified chain, high power confined a mp litude p r otecti on, l ow noise a mp lifier for receiver and s o on . A ls o, the potential app licati on of Si C m icr o wave devices in T/Rmodules m icr owave circuits is ex p licated . Comparing Si with Si C peri 2ods, we analyze in detail the quality and technol ogy state in the key circuit, and the i m portance of the devel opment of the phased array radar f or the future m ilitary electr onic device . Key words:wide band gap se m iconduct or; Si C m icr owave devices; T/Rmodules
0 引 言
众所周知, 新型半导体材料Si C 是目前正在发
展的一种宽禁带半导体。该半导体具有较宽的工作频带(0～400GHz ) 、优异的高温特性(可达300～3000℃) 、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率等特性, 适合制作高压高温、高频及高功率器件。随着科学技术的发展, Si C 所具有的优势, 得到了相关机构的高度重视, 已经取得了引人注目的进展, 正在改变着以相控阵雷达为代表的军事电子设备射频微
收稿日期:2008207220 修订日期:2008210212
波领域的状态。因此, Si C 宽禁带半导体器件的发
展和应用, 将有效促进军事电子系统有源相控阵雷达天线阵面实现高效能、高机动、轻小化、高波段的应用目标, 实现各种频段的高机动雷达, 并使得集雷达、电子战、通信、导航系统等为一体的高密度电子系统得到飞跃的发展, 实现高性能的工程应用。S 波段高机动有源相控阵雷达大功率T/R组件在高功率、轻小化、高可靠之间互相制约的问题将彻底改变。X 波段以上应用于雷达工程的的T/R组件, 输出功率大于40W 也将指日可待。
632
2008年第6期
1 Si C 半导体器件的特点和现状
在微波半导体的发展进程中, 以Si 、Ga A s 为代表的半导体材料, 其技术已经比较成熟, 然而受到材料性能所限, 采用Si 、Ga A s 研制, 应用于电子设备及相控阵雷达天线阵面的微波高功率半导器件, 如高功率三极管、高功率二极管等微波半导体器件, 在高功率、高频率、低损耗及抗辐射方面受到限制, 而以Si C 为代表的第三代宽带隙化合物半导体材料, 能作出比Si 、Ga A s 器件性能更优越的微波有源器件, 其相关性能比较见表1。
表1 不同半导体材料的相关特性[1]
材料代号
E g /eV
在该器件的具体研制工艺中利用感应耦合等离子体
干法腐蚀, 牺牲层氧化等工艺技术, 成功研制出连续波输出功率大于10W , 特征频率达6. 7GHz, 最高振荡频率达25GHz 的S 波段Si C 晶体三极管。
[3]
详细测试结果见表2
表2 SI C MESFET 连续波工作状态相关测试结果
序号输入功率/dBm栅级偏压/V
123
31. 231. 230. 25
-11-10. 5-10
漏极偏压/V输出功率/W
525250
11. 5911. 110. 37
si 1. 211. 93001. 51500
Ga A s 4H -Si C 1. 4313. 14000. 463. 2410. 1922004. 9000
备 注禁带宽度介电常数上述半导体器件的研制成功, 使得开发高性能
的微波晶体三极管放大器及微波高功率P I N 二极管。
εr
E c /kV・c m -1
2Si 组件中
, 相控阵雷达天线阵面的核心技术, 主要有收发微波放大电路、限幅保护电路, 馈电电路、检测信号控制与传输电路等, 无论是过去的分布式收/发独立微波放大与传输电路, 如今的收/发集成电路系统(即T/R组件) , 还是未来将整个T/R组件集成在一个芯片内, 甚至是将多个T/R组件集成在同一个芯片内, 其半导体技术都将是制约其特性的关键问题。无论制作工艺上如何变化, 构成T/R组件的关键电路, 都是以半导体为核心的射频微波高功率晶体管三极管放大电路, 高功率P I N 限幅保护电路及接收机前端低噪声放大电路等。典型的大功率收/发集成电路系统原理框图如图2所示。
λ/(w /cm ・k ) μm /v ・s ) N /(c
2
Si C, 因具有击穿场强高, 热导率高, 介电常数低等特性, 使其在微波半导体三极管、微波半导体二极管的特性具有无可比拟的优势。从目前的情况看, Si C 是宽禁带半导体材料中发展最迅速的一种材料, 特别是大直径的Si C 片是实现微波功率半导体器件如高功率三极管、二极管的前提, 到目前为止, 高功率三极管在35G Hz 以下输出的连续波功率达53W 的试验样件已获得成功, 而目前已经研制成功的宽禁带半导体P I N 二极管的击
[2]
穿电压已达10k V, 其V -I 特性如图1所示。
图1 S i C P i N 在施加不同偏压值的一种稳定特性
图2 收/发集成电路系统原理框图
国内已采用在75mm 4H -Si C 半绝缘衬底上
实现的国产Si C MESFET 外延材料进行器件研制,
在有源相控阵雷达中, 提高作用距离的有效方法为:提高微波功率放大器的发射输出功率、降低微
2008年第6期
张福琼:Si C 微波半导体在T/R组件中的应用前景
633
波传输损耗、降低收发集成电路系统的接收状态噪
声系数(噪声系数的大小主要取决于低噪声放大器本身的噪声系数及限幅保护电路的传输损耗等) 。而有源电路低噪声放大器和限幅保护电路的基础是半导体器件, 在以窄禁带半导体材料为主体的微波半导体器件, 因材料特性的局限微波高功率放大电路和限幅保护电路的功率密度将受到限制, 从而使得收/发集成电路系统的特性受到制约, 难以实现高功率高密度的电路特性及可靠性。因此宽禁带的应用, 将使得收/发集成电路系统具有如下的优势。
(1) 简化发射链路
高功率的收/发集成电路系统(如图2所示) 获得高功率高增益的发射链将是占用空间最大, 线路最复杂的功能电路。如果采用宽禁带微波功率晶体管放大器, 那么在工艺、空间、工作频段一定的条件下, 其输出功率比目前较为成熟的窄禁带微波功率晶体管放大器可大3倍以上, 其放大链的级数可减至1/2。S 表3 S 名称
Si
价高, 且电路复杂, 占用空间大, 因此高功率放大链通常成为T/R组件体积重量的主要贡献者, 并从一个侧面制约收/发集成电路系统的轻小特性及高可靠特性。如果采用Si C 半导体微波高功率器件, 从目前达到的微波高功率特性, 其功率增益及输出功率均为Si 的两倍以上, 增益的增加使得高功率放大链路的级连数得到减少, 总输出功率与合成路数的
[4]
关系见式(1) , 由式(1) 可见当单路输出功率提高一倍时, 其合成路数可减少一半, 同时分配/合成馈电网络将得到相应的减化, 可降低总损耗, 提高合成效率。由此可见, Si C 半导体微波功率器件的应用, 其效果是放大链路得到减化, 面积缩小, 可靠性增加, 为实现T/R组件的高可靠、轻小化起着至关重要的作用。
P ou t ×(1) , N ) /发集成电路系统其微波电, 除高功率发射链路外, 还有高功率接收限幅保护电路及抗干扰电路。这是一种高功率微波半导体控制电路, 其核心技术仍然是微波高功率半导体器件P I N 二极管, 是大功率收/发集成电路系统技术难度较大的功能电路。接收限幅保护电路原理示意图如图4所示。
110W
6dB 12dB >9dB
效率
30%
国外
4H -Si C
200W 10W (连续波)
可达60%
>45%
国内
由表3可见, 4H -Si C 半导体功率器件无论是输出功率还是增益特性都具有较大的优势。S 波段50d B Si 半导体高功率放大链路示意图, 如图3所示。
图4 无源吸收式限幅电路示意图
在T/R组件系统中, 该电路承担着两种任务:
一是在大功率发射状态下对接收机进行限幅保护, 二是在接收状态下完成无耗传输。对于高机动雷达
图3 高功率放大链路示意图
由于Si 半导体功率管的功率增益值的局限, 如
果实现1200W 以上的高功率输出, 大于50dB 的功率增益, 则必需采用5级Si 功率管放大电路, 一级Ga A s 半导体功率器件放大电路及相应的多路合成/分配微波馈电网络, 同时因Si 功率管的单管输出功率不超过120W , 在Si 半导体高功率器件放大链路的末级必需采用大于10管以上的多管合成技术。在一定程度上硅功率管的的放大链实际上是一个十分复杂的综合性微波放大与馈电网络, 不仅造
大功率的T/R组件, 接收保护电路承受功率达1000W 以上, 而对于适合相关传输线设计的微波高
[5]
功率窄禁带半导体P I N 二极管, 其击穿电压不超
[6, 7]
过500V, 为此单管难以实现工程应用; 可行的方法为双管并联, 但是, 这不仅造价高, 电路复杂, 且占用空间大, 传输损耗大, 从一个侧面制约收发集成电路系统(T/R组件) 的轻小特性、高可靠特性及接收机前端的低噪声特性。而目前已经研制成功的宽禁带半导体P I N 二极管, 击穿电压已达10k V (宽禁带半导体P I N 二极管的V -I 特性见图1所示) 。为实现高功率单管限幅保护电路具备了关键性的条
634
2008年第6期
件, 不仅如此, 表1中宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料相比, 还具有介电常数低(因为低的介电常数有利于降低电路中器件对微波传输线的分布参数影响) 、击穿电压高的特点, 而击穿电压与微分电阻成反比关系, 击穿电压高, 微分电阻低, 使电路的插入损耗得到减少, 其关系式见式(2) 。微分电阻与插入损耗的关系见式(3) 。
R i =
2V Pt μN ε
2
图6 限幅低噪放原理示意图
(2)
3 结 语
由于Si C 宽禁带半导体器件所具有的优势, 宽禁
带半导体材料性能最优化的实现、工艺技术的发展与成熟、信息装备科技人员与相关半导体研究机构的紧密配合, 在不远的将来, 随着高性能的Si C 微波半导体器件研制成功与成熟后, Si C 那时将
式中, V Pt 为击穿电压; ε为有效介电常数; μN 为电子迁移率。
L =10l og 1+
R i Z 2
(3)
式中, R i 为二极管的微分电阻; Z 0为传输线的特性阻抗。
(3) 获得低噪声高增益的接收机前端
如前所述, 接收机前端是收发集成电路系统关键部分, 主要包含限幅保护电路、滤波、ST C 等组成, 原理框图如图, Si C 半导体器件时, , 图5中的放大器2可省略, 以减小电路的复杂性。因Si C 是一种优良的热导体, 比任何金属的热传导性都高, 这使得Si C 器件可工作在很高的功率电平上, 而同时仍能散发掉产生的大量热量, 因此采用Si C 半导体器件时, 可允许限幅保护电路的漏功率提高3d B 以上, 可使限幅保护电路得到简化。限幅低噪放原理如图6所示, 采用Si C 半导体器件时, 接收机前端采用单极放大, 即可满足接收机动态范围所需的增益值; 此外由于反向击穿电压高的特点, 将使得低噪放可以承受较高的发射状态微波功率, 即限幅保护电路的限幅电平可以允许大于40mW 以上, 一般Si 管所承受的限幅电平必须
T/R, 在总方, 可以使得体积缩小为Si 时1以上, 重量至少减轻一半, 从而实现T/R组件的高可靠、高性能、小型化、大功率、高波段等。参考文献:
[1]张光义, 王炳如. 对有源相控阵的一些新要求与宽禁
带半导体器件的应用[J ].现代雷达, 2005(2) :126.
[2]MADE LA I N E HERN, ADWOA AK UFF O. Ex peri m ental
Evaluati on of Si C Pi N D i ode For ward B ias Degradati on and Long Ter m Stability[C ].Power Electr onics Special 2ists Conference, 2007. PES C 2007. I EEE .
[3]潘宏菽, 李亮. S 波段10W Si C MESFET 的研制[J ].半
导体技术, 2007(11) :9402944.
[4]《SSS 》丛书编辑部. 微波固态电路设计[Z ].机械电子
工业部第十四研究所, 1991.
[5]AVE BURL I N GT ON. RF and M icr owave Se m iconduct ors
[C ].M /A-C OM , I N C 1994.
[6]唐第清, 等. 微波大功率P I N 开关特性研究[C ]//全国
微波会议论文集, 西安:西北工业大学, 1991.
[7]张福琼. 高功率微带限幅器组件[C ]//全国微波会议
论文集, 西安:西北工业大学, 1991.
作者简介
张福琼(1955-) , 女, 贵州遵义人, 高级工程师, 长期从事T/R组件及微波元件的开发与研制, 曾获中国电子工业部科技进步二等奖(第一获奖人) 、中国电子科技集团公司科技进步特等奖等。
图5 高增益接收机前端