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高性能与中等击穿SiGe HBT功率放大单元的性能与可靠性权衡
Performance and Reliability Tradeoffs of Power Amplifier Cells Using High-Performance and Medium Breakdown SiGe HBTs
| 作者 | Harrison P. Lee · Nelson E. Sepúlveda-Ramos · Jeffrey W. Teng · John D. Cressler |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 技术标签 | 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 硅锗异质结双极晶体管 级联放大器单元 性能 可靠性 偏置与负载线 |
语言:
中文摘要
本研究对硅锗异质结双极晶体管(SiGe HBT)共源共栅放大器单元的可靠性和性能特性进行了研究。具体而言,本研究探讨了在共源共栅电路的共基极级中使用为实现最大性能而缩放的晶体管和为提高击穿电压而缩放的晶体管之间的权衡。对共源共栅结构的直流工作极限、小信号和大信号性能以及电气可靠性进行了研究。通过仿真和测量来确定如何最小化每种器件类型的性能权衡并最大化其可靠性提升。研究表明,高性能(HP)和中等击穿(MB)共源共栅电路之间的峰值单位截止频率($f_T$)差异远小于单个器件之间的差异,并且将集电极 - 基极(CB)器件偏置到其基极电流反转点之后,可使单元的$f_T$进一步提高 10% 或更多。可靠性数据表明,更可靠的共源共栅单元取决于单元的偏置条件和负载线。总体而言,研究结果表明,可以通过改变偏置和负载线来提高共源共栅单元的性能和可靠性。
English Abstract
In this work, the reliability and performance characteristics of silicon–germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) cascode amplifier cells are investigated. In particular, this study investigates the tradeoffs of using transistors scaled for maximum performance or for increased breakdown voltage in the common-base stage of the cascode. The cascode structures are investigated for their dc operating limits, as well as their small- and large-signal performance, and their electrical reliability. Simulations and measurements are performed to determine how to minimize the performance tradeoffs and maximize the reliability improvement of each device type. It is shown that the difference in peak unity cutoff frequency ( f_T ) is much smaller between the high-performance (HP) and medium breakdown (MB) cascodes than for the individual devices, and that biasing the collector–base (CB) device past its base current reversal point further increases f_T of the cell by 10% or more. Reliability data show that more reliable cascode cell depends on the biasing condition and load line of the cell. Overall, results show that bias and load line can be changed to improve both the performance and reliability of cascode cells.
S
SunView 深度解读
从阳光电源功率变换系统的技术需求来看,这项关于SiGe HBT cascode放大器单元的研究具有重要的参考价值。在光伏逆变器和储能变流器的高频功率转换环节中,功率放大器件的性能与可靠性平衡一直是核心技术挑战。
该研究揭示的cascode结构优化策略对我们的产品设计具有启发意义。论文证实通过优化偏置条件和负载线,可以在不同击穿电压特性的器件间实现性能趋同,高性能器件与中等击穿电压器件的cascode结构在截止频率上差异显著缩小。这为我们在逆变器驱动电路设计中提供了新思路:可以通过电路拓扑优化来弥补单管性能差异,在保证系统开关频率的同时提升耐压等级。
特别值得关注的是,该研究发现将共基极器件偏置在基极电流反转点之外可使单元fT提升10%以上。这种通过精细化偏置管理提升器件性能的方法,与我们在IGBT/SiC器件驱动优化中的经验高度契合,可直接应用于高频隔离驱动电路的设计改进。
然而,SiGe HBT技术在大功率应用场景的局限性需要审慎评估。该技术更适合应用于我们产品中的信号调理、通信接口和辅助电源等中小功率模块,而非主功率回路。从技术成熟度看,SiGe工艺已较为成熟,但成本相对GaN、SiC等宽禁带半导体仍有竞争力优势。
建议我们的研发团队关注该研究中"性能-可靠性协同优化"的设计理念,特别是在新一代高频化、高功率密度逆变器的驱动芯片选型和电路设计中,探索通过偏置优化和拓扑创新实现器件潜力最大化的可能性。