GaN和GaAs器件特性白皮书

半导体原材料发展

目前经历了三个阶段

• 传统的GaAs功率放大器通常以1dB压缩点定义功率输出能力，而GaN则没有1dB压缩点的定义，通常以饱和功率作为功率输出能力定义方法，两种定义有明显的差异。

1dB压缩点（P1dB）定义

• 功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P_1dB，如下图所示。

饱和功率（Psat）定义

• 饱和功率通常是指输出功率不再随输入功率的增加而增加的输出功率点，在卫通行业，通常参照MIL STD 188-164B标准，饱和功率的定义是当输入功率增加1dB输出功率增加0.1dB的输出功率点，即为饱和功率点.
• 两种半导体技术的功率器件和产品，除了在功率输出能力定义方法有差异外，还有以下一些显著的差异。

系统可用功率

GaN和GaAs线性性能差异

• 在满足特定调试模式和带宽的系统可用功率方面，GaN的优势明显， 以当前Ka波段的器件为例，GaN以Psat点回退3dB时，GaN的IM3性能可以保持在-25dBc以下，而GaAs以P1dB回退3dB时，IM3仅在-18dBc左右，相同的功率回退情况下GaN功放的可用功率比GaAs高，业内老牌功放厂家Advantech公司的白皮书《White Paper-Linearity-of-GaN-Based-Solid-State-Power-Amplifiers》中有较为详细的说明，截图如下

GaN和GaAs线性性能产品实测比较

ACPR性能

• 信号配置：Symbol rate:5Mbps，RNYQ（α=0.25），Mod type: 8PSK条件下，

图1.1 Ka 10W GaN产品Psat回退1dB条件下的ACPR性能 约-33dBc

图1.2 Ka 4W GaAs产品 P1dB回退1dB条件下的ACPR性能 约-24dBc

IM3性能

• 信号配置：双音信号等功率输入，信号间隔2MHz

图1.3 Ka 10W GaN产品Psat回退3dB条件下的IM3性能，IM3＜-25dBc

图1.4 Ka 4W GaAs产品P1dB回退3dB条件下的IM3性能, IM3＜-17dBc

热可靠性对比

在以100000小时的寿命周期下，GaN的沟道耐受温度通常比GaAs高80度以上，如两种型号的器件规格书列举曲线。

图2.1 GaN最大工作结温250℃（摘至于器件规格书）

图2.2 GaAs最大工作结温160℃（摘至于器件规格书）

能耗比较

GaAS器件在小功率状态下，其静态漏压也需设定到较大状态，如Ka波段的4W GaAs器件，其静态漏流要求为1.7A，而GaN器件，其静态漏流要求可以设定低于0.3A，在小功率或无输入的工作状态下，4W的GaAs的功耗是12瓦的GaN的1.7倍，如果按4*4瓦合成输出的情况下换算，静态功耗倍数将达到近7倍。

图3.1 GaAs电流曲线

图3.2 GaN电流曲线

增益压缩特性

在增益压缩特性方面，GaAs功放具有良好的增益线性，增益从小信号到接近饱和的P1dB功率点的增益都基本一致，而GaN功放，通常在饱和功率回退6dB甚至回退更多就存在增益压缩的情况，具体的压缩点还会随着GaN本身的静态漏流工作电变化，产品表现就是增益非线性变化的情况。可以说GaN器件在增益线性的特性上是不如传统的GaAs器件的。

图4.1 GaAs功放的压缩特性

图4.2 GaN功放的压缩特性

单管最大输出功率

因技术和工艺限制，在Ka波段，目前市面上最大的GaAs单管只有4W输出，而GaN单管可以输出34W。

产品尺寸对比

• 4W需要合成到20W输出，需要使用8个功放进行二进制三级串联合成，相同的最大发功的产品，面积大，功耗大，能效低，可用功率低，GaAs技术完全没有优势。
• GaAs的漏极供电通常是低压供电，在相同的功耗情况下，GaAs电流远大于GaAs，例如在Ka波段，4W的GaAs单器件静态漏流需要1.7A，而10瓦或20瓦的GaN仅0.28A，在以整机20瓦为目标输出功率的产品设计上，GaAs的静态电流将达到1.7*8=13.6A，而一个20W的GaN的静态为0.28A，近50倍差异，这将使得GaAs方案的电源设计变得复杂，不仅仅是功率合成方案，整个产品的供电设计，监控设计将数倍甚至十倍以上增加，完全不具有优势。

总而言之，GaN技术的产品尺寸更小、可靠性高、效能比高、功率高，这些优点决定了GaN是大功率，低能耗，高可靠性的产品应用的必然选择。

网络上搜索的一些公开资料

• 《White Paper-Linearity-of-GaN-Based-Solid-State-Power-Amplifiers》来自Advantech公司
• 《21 China Satellite 2018 – Norsat _Gan vs. GaAs chinese FINAL.pdf》 2018年，中国卫星应用大会报告，
• 《How GaN is Changing the Satcom RF Front-End》 来自Qorvo公司
• 《Qorvo_RF_Application_GAN》 来自Qorvo公司
• 《x-band-gaas-vs-gan-efficiency-tradeoffs_cn》 来自Qorvo公司
• 《GaN打破壁垒—RF功率放大器的带宽越来越宽、 功率越来越高 _ Analog Devices》 来自ADI公司