大功率半导体器件宽阻抗范围高精度的测试方法研究

发布时间：2020-05-21 06:20

【摘要】：随着电子信息技术的蓬勃发展,半导体器件作为硬件电路的关键要素,在几十年的发展历程中历经了三代的演变。作为第三代半导体器件的代表,氮化镓功率器件具备优异的禁带宽度、良好的导热性和超高的电子迁移速率等特性。但由于氮化镓功率器件的阻抗偏低,在实际测试时会因为端口反射过大而影响测量结果,因此准确有效地测量大功率半导体器件的特性参数是相应研究工作的关键。本课题主要研究大功率半导体器件宽阻抗范围和高精度的测试方法,该方法利用测试夹具在实现传输信号和固定被测器件作用的同时,还实现了一定程度的阻抗预匹配作用,旨在解决氮化镓功率器件输入输出端口阻抗过低导致的失配问题,将测试系统中50Ω的阻抗值转换到被测件输入输出阻抗值附近,这样不但扩展了测试系统的阻抗测试范围,还提高了测试系统的测量精度。本文通过对比多种阻抗转换方案,最终选择了基于阻抗渐变线的方案来设计测试夹具,搭建相应的测试系统,研究相应的测量方法,并结合ADS软件的仿真结果,验证该方法的准确性和可行性。网络分析仪是S参数测试系统中最核心的仪器设备,而基于网络分析仪的测试系统会不可避免的产生由于仪器、线缆和测试夹具不理想特性所导致的测量误差。对此,本文研究了基于12项误差模型的SOLT校准法和基于8项误差模型的TRL校准法,旨在消除实际测试时产生的各项误差。在传统校准方法的研究基础之上,本文提出了适用于宽阻抗高精度测试方法的夹具去嵌入技术和校准方法,设计了测试夹具和相关校准件,测量求解了测试夹具的S参数,最终利用宽阻抗高精度测试方法提取到氮化镓功率器件的S参数,并对比分析了测量结果。本课题来源于国家自然科学基金项目—微波大功率半导体芯片热态参数综合测试仪。本文通过对宽阻抗高精度测试方法的研究讨论、仿真验证和实际测试,实现了以氮化镓功率器件为代表的大功率半导体器件的宽阻抗范围和高精度测试,解决了大功率半导体器件测试过程中普遍存在阻抗偏低导致的测量误差较高、测试阻抗范围不足等问题,为大功率半导体器件的测试提供了新的思路和新的方法,同时也为超大功率和超高频率的功率放大器设计奠定了相应的研究基础。
【图文】：

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图 1.1 为科锐（CREE）公司最新研制的大功率半导体器件 CGH40120F 的其作为一款基于氮化镓材料的功率放大器，具有相当优异的性能，输出功率 120W。从图 1.1 中不难发现，该功率器件输入端口的反射系数约等于 1，全反射状态，输出端口的反射系数也很大。在实际测量该半导体器件特性参测试仪器的测量精度和区分度的要求就会变得极为严苛，如果测试仪器的测区分度不足，利用传统的测量方法势必会产生较大的测量误差。针对大功率半导体器件的这一突出问题，本文将提出一种新型大功率半导体试方法，该方法能实现对大功率半导体器件宽阻抗范围和高精度的测试。该测试夹具在实现固定被测器件（DUT）作用的同时，也能实现一定的阻抗转将矢量网络分析仪的 50 Ω 端口阻抗转换到与大功率半导体器件输入阻抗和相近的一个阻抗值，从而减小测试系统和被测器件之间的失配问题，提高测扩展测试仪器的阻抗测试范围。国内外研究现状

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.2.1 氮化镓功率器件的研究现状外对于第三代半导体材料的研究起步较早，其研究也多以氮化镓材料为率器件的研究最早可以追溯到 1993 年，，在这一年，Khan M A、Kuznirai A R 等人成功研制出了第一个具有稳定直流工作点的氮化镓高电子迁HEMT）[4]；1996 年，WuY．F、KellerB．R、KellerS 等人成功研制出了镓场效应管，其输出功率附加效率（PAE）超过了 18%[5]；到了 1999 所示，在 XuJ．J、WuYF、KellerS 等人的努力下，成功研制出了全球GaN／GaN 的高电子迁移率晶体管，他们还利用这个晶体管设计出了宽，这款功率放大器在实现了频率范围从 1GHz 到 8GHz 全覆盖的同时，B 的小信号增益[6]；随后在 2000 年，科锐公司的 S．T．Sheppard、W.L制出了历史上首个基于 GaN/AlGaN 高电子迁移率晶体管的功率放大器体集成于单片微波集成电路中，实现了在 10GHz 下接近 11dB 的信号增超过 40W，获得了业界的一致赞许[7]。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN303

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