半导体器件的动态特性对于高频、大信号器件(如功率放大器、混频器、振荡器及高速数字电路等)有着重要影响,因此深刻地认识该动态行为是理解器件特性的关键。色散是半导体器件动态行为里面最为重要的一个效应。当器件从个稳态变化到另一个新的稳态时,输出并不能及时地随输入变化,该物理过程随不同的时间常数而发生响应。如图1(a)所示,当t≥0时,可动电荷随所加阶跃电压迅速响应,las随后进入“稳态Ifast”阶段,接着,该变化影响着沟道温度及陷阱状态(器件材料的位错/缺陷等引起材料带隙中出现离散能级),反之,沟道温度及陷阱也影响着沟道中载流子迁移率,并使电流调整达到一个平衡态( Islow)。该动态变化过程也可以看成器件对不同输入频率或色散的响应过程。图1(b)显示了不同脉冲宽度状态下I-V与lds(t)的关系,值得注意的是,器件的直流I-V特性不同于高频信号I-V特性,即出现了色散效应。考虑lds对电压V的偏导数Ƌlds/ƋVg(即gm,它是影响增益的重要参数),可以看出,不同频率下gm特性是不同的,同时,器件的谐波与交调分量依赖于I-V的高阶导数,对于微波毫米波电路的调幅调相(AM-PM)、邻信道功率比(ACPR)及功率附加效率(PAE)等有重要影响。因此,准确表征和模拟GaN HEMT器件的色散特性对于器件大信号建模有着至关重要的作用。
图1 漏极电流Ids的动态特性
GaN器件的色散效应是影响GaN射频特性的重要因素之一,其机理主要分为两个方面: GaN HEMT较强的自热效应和表面效应、位错、点缺陷及杂质等造成的陷阱效应。色散效应会引起电流崩塌或射频色散,从而限制器件的高频特性。
