温度对GaN HEMT器件小信号特性的影响

  本文对不同温度下AlGaN/GaN HEMT器件的小信号特性进行仿真,热接触的温度分别设定为300K、325K、350K、375K、400K和425K,主要分析高温工作条件下器件的电流增益H2l、最大资用增益MAG、电流截止频率ft和最大振荡频率fmax。电流增益H21定义为输入电流Ii与理想负载电流Id之比,表示为
计算公式1 
其中Cg为等效输入栅极电容。
 
  最大资用功率增益MAG是指晶体管在无条件稳定的情况下(K>1),输入和输出同时为共轭匹的时候,所得到的资用功率增益,是实际晶体管所能得到的最大增益,表示为
计算公式2 
其中S21和S12为散射产量—S参数,MAG只与晶体管的s参数看关。
 
  正向电流增益(H2l)和最大资用增益(MAG)为单位增益时,其对应的频率分别为截止频率ft和最大振荡频率fmax,分别表示为
计算公式3、4 
 
  在栅电容Cg不变的情况下,截止频率ft主要和跨导gm成正比。而最大振荡频率fmax与寄生栅源电阻Rg、Rs,寄生沟道电阻Ri、本征输出电阻Rds、本征栅漏电容Cgd和截止频率ft有关。当器件偏置变化的时候,寄生参数基本不随偏置变化,因此最大振荡频率fmax主要与本征参数以及截止频率ft有关。
不同环境温度下S参数随频率变化情况 
图1 不同环境温度下S参数随频率变化情况:(a)S11,(b)S12,(c)S21,(d)S22
 
  图1显示了VG=1V、VD=1V时不同环境温度下S参数随频率的变化情况,从图中随着温度的升高,S11略微减小,S12保持不变,S21减小,S22增大,这与高温下器件的跨导gm和输出电导gd的变化有关。
不同环境温度下(a)电流增益H21和(b)最大资用功率增益MAG随频率变化情况 
图2 不同环境温度下(a)电流增益H21和(b)最大资用功率增益MAG随频率变化情况
 
  图2给出了VG=1V、VD=1V时不同环境温度下的电流增益H21和最大资用功率增益MAG随频率变化情况。从图中可以看出随着温度的升高电流增益H21和最大资用功率增益MAG都减小,这归咎于高温下S21的减小。
 
  通过外延电流增益H21和最大资用功率增益MAG随频率变化曲线,得到了截止频率ft和最大振荡频率fmax随温度变化曲线如图3所示。从图中可以看出随着温度的升高截止频率ft和最大振荡频率fmax不断减小,温度从300K升高到425K的过程中,截止频率ft下降了23.1%,最大振荡频率fmax下降了25.2%。
截止频率ft和最大振荡频率fmax随温度变化情况 
图3 截止频率ft和最大振荡频率fmax随温度变化情况

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