新型半寻体功率器件在现代雷达中的应用研究二.docxVIP

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新型半寻体功率器件在现代雷达中的应用研究二

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4宽禁带半导体功率器件的发展背景

宽禁带半导体功率器件的发展是在宽禁带半导体材料发展的基础上发展起来的，其迅速发展的主要原因之一是源于美国军方的兴趣，尤其是2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)通过并实施了宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)，该计划极大地推动了宽禁带半导体技术的发展。该计划主要包括三个阶段：第一阶段（2002~2004年）的目标是解决SiC单晶生产技术和AIGaN/GaN外延层技术问题，实现市场销售SiC基片的直径由50mm增加到75mm，2006年100mmSiC基片实现商品化。第二阶段（2005—2007年）计划称作“射频应用宽禁带半导体计划”(WBCS-RF)，其目的是利用宽禁带半导体材[来自www.lW5u.CoM]料制作功率器件和功率放大器，以提高其功率附加效率、工作带宽及功率密度等，进而实现高可靠、高性能微波与毫米波器件的批量生产，具体目标有：①研制宽带放大模块及MMIC（TriQuint公司），2~20GHz模块输出100W功率，效率77≥20%，GaNMMIC，48V工作电压，连续波功率15W，功率增益G≥9dB，效率n≥30%，寿命≥105h，②研制X波段收发模块（雷声-Cree公司联合研究小组），8~12GHz模块输出60W功率，效率7。≥35%,GaNMMIC．48V工作电压，连续波功率15W，功率增益G≥16dB，效率7，，。≥55%，寿命≥105h；③研制Q波段功放模块（诺斯罗普，格鲁曼空间技术公司），44GHz模块输出20W功率，效率n≥30%，GaNMMIC28V工作电压，连续波功率4W，功率增益G≥7.5dB，效率17．，．。≥37%，寿命≥105h。第三阶段（2007~2010年）研制成功高可靠、高性能的MMIC，并应用到具体工程中，降低成本，提高可靠性，寿命达到l06h，计划2011年开始用于军事装备。

宽禁带半导体技术计划（WBCSTI）是为了满足美国国防部发展多种作战平台的需要而制定的。如机载预警雷达、机载火控雷达（飞机上的机载火控雷达）、F/A-18上的有源电扫阵列(AESA)、舰载雷达以及各种战术无人机上的有源相控阵雷达等。WBGSTI日前的主要目标是开发单片集成电路及相应的组件、模块，以应用于新一代宽带相控阵雷达、电子战系统和包括精确制导武器在内的军用电子装备。计划在2009年前后，实现8—12GHz，60WT/R组件的工程化应用，实现20GHz，100W固态功率模块应用于新一代电子战装备，实现40GHz．20W固态毫米波组件用来装备精确制导武器、卫星中继和军事通信系统。5宽禁带半导体功率器件的主要特性

宽禁带(WBC)半导体与窄禁带半导体材料的区分是以它们的禁带宽度为标准的。在半导体能带结构中，导带最低点与价带最高点之间的能量差称为禁带宽度E。，E。2eV为窄禁带，如Si，Ge．CaAs及InP;E。2eV为宽禁带如SiC，GaN，AIN，AIGaN及金刚石等，其中最具有代表性的宽禁带材料是SiC、GaN等，表l给出了宽禁带材料的一些特性数据。

宽禁带材料的共同特点是具有宽的禁带能量和高击穿场强，它们的禁带宽度在2—6eV．是Si和AsGa材料禁带宽度的2~3倍，而击穿场强是Si和CaAs材料的10倍至数十倍，因此宽禁带半导体功率器件的击穿电压极高，理论上可达200~450V，甚至更高，同时可以高电压工作48V，甚至100V，高电压工作可以获得高功率密度和高输出功率。如：在掺杂密度相同的条件下：6H-SiC和4H-SiC的击穿电压要比Si分别高56和46倍。同时由于击穿场强提高，在增加掺杂密度条件下，SiC半导体器件漂移区的宽度变小，减小了SiC半导体芯片的尺寸，从而提高了功率密度。另一方面，Si材料要求的漂移区宽度是SiC材料要求的漂移区宽度的8~10倍。也就是说相同的宽度SiC材料能承受高得多的电压，即SiC半导体器件的输出功率可大幅提高。

半导体器件的截止频率直接关系到最高工作频率和瞬时带宽，Si半导体功率器件之所以只能工作在S波段以下，主要原因之一就是Si半导体材料有限的禁带宽度有限而导致的，GaAs器件虽然截止频率可以设计的很高，但受击穿电场强度的限制，工作电压很低，以致于器件输出功率和功率密度都很小。宽禁带半导体功率器件固有的宽禁带能量和高击穿场强的特性，决定了可以工作在更高频率、更宽带宽时仍能有高的输出功率。同时宽禁带半导体材料具有高饱和电子速率，是Si和CaAs的两倍，饱和电子速率越高，特征频率就越高。

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