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宽禁带半导体功率器件在现代雷达中的应用

时间:2012-04-11


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20IO,32(12)

现代雷达 表l部分半导体材料的物理特性‘31

(3)满足线性工作的要求。雷达发射多波束的工 作方式,要求发射输出信号具有一定的线性度。同时, 发射机既可工作在线性状态,又可工作在饱和状态,可 以满足多功能雷达工作在侦察、电子对抗、通信、导航 等不同状态的要求。另外,发射机具有线性工作能力, 可以根据需要进行幅度控制,有助于有源相控阵雷达 采用幅度加权的方法实现发射低副瓣。 (4)提高发射机效率。发射机效率越低,耗散功 率越高,用于对发射机进行冷却设备的功率越高。一 方面导致设备成本提高,另一方面还导致系统运营成 本(如耗电)也相应增加。另外,在载荷提供能量受限 的情况下,如星载、机载平台,提高效率有助于提高发 射输出功率,从而增强雷达探测能力。 (5)提高发射机的环境适应性。功率晶体管是全 固态发射机的核心器件,目前全固态发射机的可靠性 问题主要表现为晶体管的失效。功率晶体管的寿命与

(1)高输出功率和功率密度 宽禁带半导体材料的击穿电场强度高,从表l可

以看出Sic和GaN的击穿场强是Si与%~8的数倍。
高的电子击穿场强使得半导体功率器件的击穿电压更

高,理论上宽禁带半导体功率器件的击穿电压可达
200 V一450

V,甚至更高。因此,宽禁带半导体功率器

件的射频输出功率获得大幅度的提高。在增加掺杂密 度的条件下,宽禁带半导体功率器件的漂移区宽度可 以降低,从而可以减小半导体功率器件的尺寸,提高其 功率密度。 (2)工作频率高,工作频带宽

其结温密切相关,结温越高,寿命越低忙J。在现有条
件下,常用Si双极型功率晶体管的结温达到降额要求 的临界状态,因此选用能够承受更高结温并有良好热

半导体器件的截止频率直接关系到器件工作的最
高频率和瞬时带宽,它随沟道掺杂浓度增加而上升、随 沟道厚度和栅长的增加而下降H J。由于si半导体材 料禁带宽度的限制,其截止频率较低,因此si半导体 功率器件只能工作在s波段以下。Q认s器件虽然截 止频率很高,但受击穿电场强度的限制,工作电压较 低,导致器件输出功率和功率密度都很小。宽禁带半 导体材料固有的宽禁带能量、高击穿场强和高饱和电 子漂移速率的特性,决定了该类型器件可以工作在更 高频率,同时仍能有高的输出功率。另外,宽禁带半导

传导率的新型功率晶体管是提高发射机的环境适应
性、解决系统可靠性问题的有效途径。 第l代、第2代半导体功率器件经过长期的发展, 由于其本身半导体材料特性的限制,器件性能不可能 在现有基础上再有质的提升。因此,雷达研制人员对 于宽禁带半导体功率器件寄予厚望,希望上述现代雷 达对大功率发射机的新要求,能够推动宽禁带半导体 功率器件的进一步发展,最终带动雷达等装备性能的 提高。

2宽禁带半导体功率器件的特点
半导体能带结构中,导带最低点与价带最高点之

体功率器件的固有特性使得器件的阻抗大大提高,从
器件应用角度来看,电路的宽带阻抗匹配更容易实现, 使得其宽带应用成为可能。 (3)较好的环境适应性 从表l可以看出,宽禁带半导体材料中SiC的热

间的能量间隙称为禁带宽度(以如表示,单位为
eV)。根据禁带宽度的不同,将半导体材料分为窄禁

带半导体与宽禁带半导体材料。若禁带宽度%<2“,
则称为窄禁带半导体,如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓

传导率比si高约3倍。GaN与si相当。高的热传导率
意味着由该材料制作的器件向周围环境传导热量的能 力越强,GaN器件采用SiC材料作衬底,同样确保器件 向外界传导热量的能力较强。 宽禁带半导体材料的禁带宽度为Si和Q认s材料 的2—3倍,这使得宽禁带器件比si和GaAs器件能在

(GaAs)、磷化铟(InP);若禁带宽度%>2

eV一6 eV,

则称为宽禁带半导体,如碳化硅(sic)、氮化镓 (GaN)、氮化铝(舢N)、氮化镓铝(舢GaN)等,其中碳 化硅和氮化镓为其代表材料。部分半导体材料的物理 特性如表l所示,从中可以看出作为第3代半导体材 料的宽禁带半导体与第l、第2代半导体之间的差异。 下面结合半导体材料的物理特性,对宽禁带半导 体功率器件的主要特点进行说明。

更高的温度下工作。例如GaN器件可以在Si和Ga灿
的极限工作温度300℃下正常工作,在500℃下可以 在半功率负荷的情况下连续工作。所有这些确保宽禁

带半导体功率器件具有良好的热稳定性、较高的结温,
可以在高温以及散热性能较差的恶劣环境下正常工

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