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AlGaN/GaN HEMT模型研究及MMIC 功率放大器设计摘要随着无线通讯技术和航空航天技术的飞速发展，对具有更高频率和更大输出功率的高性能半导体器件的需求日益增加。传统的Si 和GaAs 基半导体微波功率晶体管由于受材料参数的限制已经接近性能的极限，而以GaN和SiC等宽禁带半导体材料为衬底的器件，能够满足系统对高工作频率、高输出功率和高工作温度的要求，成为近年来研究的热点。而MMIC由于具有增益、噪声、功率等良好的特性，成为微波与毫米波单片集成电路和超高速数字集成电路领域最具竞争力的有源器件之一。本文围绕AlGaN/GaN HEMT模型及MMIC设计开展研究工作，具体研究内容包括如下几个方面：1、根据AlGaN/GaN HEMT 器件结构，对AlGaN/GaN HEMT 器件特性进行了分析，讨论了温度的升高对低场迁移率及阈值电压的影响，研究了一种用于分析AlGaN/GaN HEMTI-V 特性的模型。模型考虑了极化、材料热导率、电子迁移率、薄层载流子浓度、饱和电子漂移速度及导带断续随温度变化的特性，及对器件造成的影响，并将模拟结果与实验值进行对比，两者符合较好，证明了该模型的正确性，可以应用于SiC和蓝宝石两种不同衬底AlGaN/GaN HEMT器件的模拟。2、研究了GaN MMIC 有源和无源元器件模型，系统地推导了HEMT小信号等效电路中寄生电阻、寄生电感、寄生电容和本征参数的提取方法。讨论了几种常见AlGaN/GaN HEMT器件大信号直流I-V特性和大信号电容模型，并以EEHEMT1模型为基础，采用在片测试技术，结合窄脉冲测试方法，利用IC-CAP软件提取出AlGaN/GaNHEMT非线性参数，并与实验值进行比较，证明提取的大信号模型具有很好的精度。3、研究了HEMTMMIC宽带功率放大器的特点和主要性能指标，采用分布式放大器和电抗匹配相结合的方法，设计并制备了两级MMIC功率放大器。采用低通匹配网络设计，使放大器输入输出为50?阻抗匹配，在频率为8GHZ～12GHz范围内，输出功率大于17W，功率增益大于18dB，最大输出功率为25W，功率附加效率PAE达到29.9%。通过和实测值的比较，功率放大器满足设计要求，达到了预期目的。关键词：AlGaN/GaN HEMT，自热效应，小信号模型，大信号模型，单片微波集成电路，功率放大器，分布式放大器，建模AlGaN/GaN HEMT 模型研究及MMIC功率放大器设计STUDYOFAlGAN/GAN HEMTMODELAND DESIGN OFMMIC POWERAMPLIFIERSABSTRACTWithrapiddevelopmentofmicrowavecommunicationandaviationtechnology,itsethighdemandsonsemiconductordevicewithhigher work frequency and outputpower. Due tothelimitofmaterialparameters,theperformanceoftraditionalmicrowavepowertransistor basedonSiandGaAscan’timprovedfurther,whilewidebandgapsemiconductormaterialsuchasGaNandSiC,deviceswiththesematerialscansatisfythesystemneedofhighfrequency,highoutputpower,andhightemperature.Ithasrecentlybecomethefocusof research.Foritsadvantagesinthefrequency,powerconsumption,andnoise,HEMTMMICisoneofthemostcompetitionsinthefieldsofmicro-millimeterwavemonolithicintegratedcircuitsandsuper-highvelocitydigitalintegratedcircuits.Inthispaper,thekeycontentisAlGaN/GaNHEMTmodelanddesignofMMIC,theconcretestudiesarelisedasfollows.BasedontheanalysisofthedevicestructureandworkingmechanismofAlGaN/GaN HEMT,thedevicecharacteristicsareanalyzed,theeffectsofelevatedtemperatureson l