隨著國(guó)內(nèi)通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，化合物半導(dǎo)體受到的關(guān)注越來越多。

      化合物半導(dǎo)體主要分為二元化合物砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN、碳化硅SiC、磷化銦InP，以及一些三元化合物GaAsSb、InGaAs等等。

各類化合物都因其各自的禁帶寬度、載流子遷移率而展現(xiàn)出不同的物理特性：

      由于物理特性的差異，各類化合物半導(dǎo)體憑借自身的優(yōu)勢(shì)走向了不同的應(yīng)用領(lǐng)域，互無優(yōu)劣之分。

以曙光已現(xiàn)的可見爆量市場(chǎng)5G為例

各種半導(dǎo)體技術(shù)都將有一席之地

      這其中，GaN器件具有寬禁帶、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使得其射頻器件廣泛應(yīng)用在基站通信和國(guó)防軍工應(yīng)用中。

      根據(jù)Yole Development的調(diào)研，2017年整個(gè)GaN射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模是3.84億美元。隨著5G的應(yīng)用和部署，GaN射頻器件在2019-2020會(huì)迎來大規(guī)模的增長(zhǎng)；預(yù)計(jì)2017-2023年，GaN射頻器件的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到20%以上。

下表列舉了 GaN 射頻器件典型的測(cè)試參數(shù)

測(cè)試要求和Keysight的解決方案

      GaN器件的射頻參數(shù)測(cè)試包含小信號(hào)S參數(shù)、大信號(hào)輸出功率效率、互調(diào)(IMD)、噪聲系數(shù)和雜散等特性的測(cè)量。相比較傳統(tǒng)的功率放大器，GaN功放的功率高，射頻參數(shù)測(cè)試主要面臨的挑戰(zhàn)有幾個(gè)方面：

• 測(cè)試項(xiàng)目繁多，系統(tǒng)校準(zhǔn)復(fù)雜；

• GaN功放的大功率脈沖測(cè)試；

• 在片測(cè)試的效率和精度。

      傳統(tǒng)的功率放大器的射頻參數(shù)測(cè)試會(huì)采用下圖的方案，利用網(wǎng)絡(luò)儀實(shí)現(xiàn)S參數(shù)測(cè)試，信號(hào)源+功率計(jì)進(jìn)行功率特性測(cè)試，兩臺(tái)信號(hào)源+合路器+頻譜儀進(jìn)行雙音測(cè)試，噪聲頭+頻譜儀實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測(cè)試。

      采用上述方案最大的缺陷是精度和測(cè)試效率。

      完成一個(gè)GaN功放產(chǎn)品的全參數(shù)測(cè)試需要幾套不同的測(cè)試系統(tǒng)，不同的儀表的拆卸組合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度難以保證。

      同時(shí)，繁雜的數(shù)據(jù)讀取會(huì)帶來極大的工作量，比如雙音信號(hào)的測(cè)試，有時(shí)需要保證功放輸入端的信號(hào)幅度相同，有時(shí)會(huì)要求輸出的雙音幅度相同，掃頻的IMD測(cè)試數(shù)據(jù)記錄時(shí)間可能需要數(shù)小時(shí)。

采用PNA-X和校準(zhǔn)的附件，利用多個(gè)通道可以輕松實(shí)現(xiàn)放大器完整參數(shù)測(cè)試，通過校準(zhǔn)保證測(cè)量的精度，測(cè)試效率極大提升。

下圖是采用PNA-X完成的放大器全參數(shù)測(cè)試的案例，7個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)放大器的小信號(hào)S參數(shù)、增益壓縮、IMD的掃頻測(cè)量、IMD的頻率間隔掃描、噪聲系數(shù)、諧波、頻譜雜散項(xiàng)目。

      由于GaN的輸出功率高，給儀表帶來的挑戰(zhàn)是需要推動(dòng)放大器產(chǎn)生更高的激勵(lì)功率，功放輸出功率大于儀表承受的最大的電平。在高功率場(chǎng)景下，GaN功放往往需要脈沖信號(hào)激勵(lì)以減小器件發(fā)熱對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

下圖是連續(xù)波和100us 脈寬，10%占空比脈沖信號(hào)激勵(lì)下的增益和輸出功率測(cè)量結(jié)果

      連續(xù)波和脈沖激勵(lì)下的增益分別是 45.68dB 和 46.55dB，輸出功率分別是 35.88dBm 和36.64dBm。

      為了完成高功率和脈沖測(cè)試，可以將PNA的前面板的跳線打開，通過外置的推動(dòng)放大器和定向耦合器，將儀表內(nèi)部的部件旁路；同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)部的脈沖調(diào)制模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高功率的脈沖測(cè)試。

下圖是典型的GaN大功率測(cè)試平臺(tái)和校準(zhǔn)測(cè)量需要的附件：

在片測(cè)試的最大挑戰(zhàn)有兩個(gè)方面：

• 一是如何保證探針端面的S參數(shù)、功率校準(zhǔn)精度，

• 二是如何實(shí)現(xiàn)盡可能少的壓針完成全部參數(shù)的測(cè)量。

下圖是某個(gè)芯片1次和4次下針的形貌，可以看出多次下針對(duì)PAD的損傷較大，甚至?xí)�損壞芯片無法正常工作。因此，必須要在探針端面上實(shí)現(xiàn)精確的校準(zhǔn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單次連接，多次測(cè)量，保證在片測(cè)試的效率和精度。

      探針臺(tái)測(cè)試的校準(zhǔn)通常會(huì)在同軸端面和探針端面分別進(jìn)行S參數(shù)的校準(zhǔn)，同時(shí)在同軸端面進(jìn)行功率校準(zhǔn)，通過兩級(jí)S參數(shù)校準(zhǔn)得到的參數(shù)對(duì)探針端面的功率進(jìn)行修正確保探針的功率精度�！皢未芜B接，多次測(cè)量”可以通過  1——基于PNA-X的完整參數(shù)測(cè)試  中介紹的基于多個(gè)通道的完整參數(shù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)。

      DPD(數(shù)字預(yù)失真技術(shù))已經(jīng)成為無線通信中不可或缺的技術(shù)，Doherty、包絡(luò)跟蹤等效率增強(qiáng)技術(shù)仍然是5G通信的研究熱點(diǎn)。應(yīng)用于移動(dòng)通信的功放通常需要提供DPD前后的線性指標(biāo)，但芯片或模塊設(shè)計(jì)廠商通常不具備開發(fā)DPD算法的能力。

      采用 Keysight N5182B + N9030B + N7614C Signal Studio 軟件可以快速實(shí)現(xiàn)PA的削峰(CFR)/數(shù)字預(yù)失真(DPD)/包絡(luò)跟蹤(ET)的功能測(cè)試，測(cè)試原理與儀表連接如圖。

      被測(cè)的PA為一款GaN功率放大器，測(cè)試頻率為5800MHz，以LTE FDD 20MHz 的Downlink信號(hào)為例，DPD算法為N7614B自帶的Volterra級(jí)數(shù)算法，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物和使用儀表的主要指標(biāo)如下：

➤  矢量信號(hào)源：N5182B，160MHz調(diào)制帶寬

➤  信號(hào)分析儀：N9030A/B，510MHz分析帶寬

➤  直流電源：N6705C

➤  推動(dòng)放大器：83017A

➤  控制軟件：N7614C PA Test

測(cè)試的結(jié)果顯示了DPD前后功放的AM-AM，AM-PM，ACPR特性的曲線，其中

• 基于矢量調(diào)制信號(hào)測(cè)得功放的AM-AM和AM-PM曲線；

• 功放的增益壓縮2dB，相位擴(kuò)張3度左右；無DPD時(shí)，ACPR=-36dBc左右；

• 使用N7614C自帶的DPD算法，校正后ACPR=-50dBc，ACPR改善14dBc以上。

因此，采用 Keysight N5182B + N9030B + N7614C 的方案，可以基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，快速搭建系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)驗(yàn)證的測(cè)試平臺(tái)，有效評(píng)估功放DPD前后的ACPR、EVM等指標(biāo)。

GaN器件的特性受限于材料和器件生長(zhǎng)引入的缺陷，核心表現(xiàn)是導(dǎo)通電阻的增大，增加器件在開態(tài)下的功率損耗，嚴(yán)重影響器件的功率、效率和可靠性。

GaN的缺陷效應(yīng)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象電流崩塌、射頻散射、柵延遲等現(xiàn)象：

>>>  電流崩塌：直流下，經(jīng)過高電壓沖擊后，當(dāng)源漏電壓增大時(shí)，器件的輸出電流大大減小；射頻激勵(lì)下，GaN器件源漏輸出電流幅度與直流特性相比劇烈降低，造成Pout和PAE下降。

>>>  延遲效應(yīng)：柵極或者漏極電壓瞬間變化時(shí)，漏極電流響應(yīng)延遲的現(xiàn)象。

>>>   Kink效應(yīng)：漏極電壓較大時(shí)，輸出電流突然增大的情況，導(dǎo)致器件的跨導(dǎo)減小，不穩(wěn)定性加劇。

本節(jié)介紹DC下的電流崩塌和柵延遲的測(cè)試：

      采用81160A函數(shù)任意波形發(fā)生器和示波器完成GaN RF器件的柵延遲測(cè)試，81160A產(chǎn)生柵極電壓的快速變化，N6705C提供漏極10V的偏置，示波器和電流探頭實(shí)現(xiàn)漏極電流的捕捉和讀取。

➤  脈沖發(fā)生器 81160A ，脈沖上升沿時(shí)間(10%至90%)  1ns，±10V@ 1MOhm負(fù)載

➤  示波器 MSOS804A，8GHz 帶寬，20GSa/s采樣率，10Bit ADC

➤  電流探頭 N7026A，150MHz/30A

➤  直流電源 N6705C

由于GaN RF器件是常開型器件，必須要確保柵極加上負(fù)電的前提下再加漏極電壓，因此典型的時(shí)序應(yīng)該如下圖所示。

• 起始t=0時(shí)刻，Vg=-3V，Vd=0V，Id=0A；

• T=t1時(shí)，Vg=-3V，Vd=48V，器件關(guān)斷，Id=0A；

• T=t2時(shí)，Vg=-1.9V，Vd=48V，器件打開；

• T=t3后，器件電流達(dá)到穩(wěn)定；

• T從t2至t3時(shí)間，電流并非瞬間達(dá)到工作電流，該時(shí)間tm即測(cè)量的柵延遲時(shí)間。

電流測(cè)試采用上升沿觸發(fā)，打開81160A的輸出，同時(shí)打開N6705C的輸出48V，此時(shí)N6705C上的電流為0mA。手動(dòng)觸發(fā)81160A，觀察示波器上電流的變化，適當(dāng)調(diào)整Scale和Marker，得到的結(jié)果如圖。

可以看出，Id從10%至90%的電流上升時(shí)間約為470us。

GaN器件漏極電壓超過一定值時(shí)， 隨著漏極電壓的增加，電流開始下降，不能達(dá)到理想的值，這就是GaN器件的電流崩塌效應(yīng)。

采用Keysight B1505A和相應(yīng)的測(cè)試夾具可以實(shí)現(xiàn)GaN器件的電流崩塌效應(yīng)的測(cè)試，通過N1267 Fast Switch Unit實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)力施加(HVSMU)和靜態(tài)電流測(cè)試(HCSMU)的快速切換，并完成靜態(tài)電流的測(cè)試。

采用Sumitomo EGNB010MK GaN HEMT進(jìn)行電流崩塌的測(cè)試，測(cè)試的夾具和連接方式如圖

測(cè)試結(jié)果如圖，可以看到施加100V應(yīng)力后漏極電流明顯低于原始的靜態(tài)電流；對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)電阻從3歐提高至5.5歐。

GaN功率放大器的測(cè)試

涵蓋了直流、射頻和系統(tǒng)級(jí)的指標(biāo)

Keysight 提供了完整的測(cè)試方案

致力于解決GaN功放測(cè)試中的挑戰(zhàn)和難題

將方案總結(jié)如下：

相關(guān)產(chǎn)品：探針臺(tái)，晶圓探針臺(tái)，大功率探針臺(tái)（高壓探針臺(tái)、大電流探針臺(tái)），微波探針臺(tái)

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