射頻ldmos功率器件的研究

射頻ldmos功率器件的研究

u3000國外合成wsfp器件和工藝介紹隨著固體雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，人們對固體雷達(dá)設(shè)備的可靠性、可靠性和價格有了越來越高的要求。橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)是一種市場需求大,發(fā)展前景廣的射頻功率器件,已成為射頻半導(dǎo)體功率器件的一個新熱點(diǎn)。世界各大半導(dǎo)體廠商如Freescale公司(占全球市場60%)、Philips公司(占全球市場25%)、Infineon公司以及STM公司等競相研究與開發(fā)。九十年代中后期開始大批量生產(chǎn)LDMOS,作為微波低端大功率(20W以上)器件的主流技術(shù),在2.4GHz以下輸出峰值可達(dá)到200W以上,年產(chǎn)量超過4億美元。與傳統(tǒng)的雙極型晶體管相比,LDMOS器件在2.4GHz以下頻段時,增益、線性度、開關(guān)性能、散熱性能、價格等方面都有著明顯的優(yōu)勢。今后LDMOS將向更高頻率、更低成本方向發(fā)展,見表1。1ldams器件與雙極型功率器件的性能對比RFLDMOS是為射頻功率放大器而設(shè)計的經(jīng)改進(jìn)的n溝道MOSFET。在LDMOS管中,用高集成無源和有源區(qū)域來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大功率射頻芯片分立的有源區(qū)——利用它本身的結(jié)構(gòu)很容易組成內(nèi)部輸入和輸出匹配電路,并利用金屬化柵極來減少串聯(lián)電阻、增加功率增益。P+通道確保了源極和地之間有良好電接觸,免除了焊線連接,降低了源極的電感,增加了器件的本征增益。一個屏蔽層置于柵、漏極之間以降低反饋電容、較長的柵極長度可滿足大動態(tài)范圍的增益和線性要求。這種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)漏極電流Idq漂移20年內(nèi)小于10%。由于大功率器件的壽命與其結(jié)溫密切相關(guān),其工作結(jié)溫越高,壽命越低,有資料顯示,大功率器件的結(jié)溫每升高10℃,其工作壽命減少1/2。所以,如何提高功率器件的散熱性能直接關(guān)系到其使用壽命。由于LDMOS采用了共源工作模式(源極直接接地)、減少了源極的封裝電感并提供了優(yōu)良的熱接觸面,所以,芯片工作時產(chǎn)生的大量熱量可以直接通過散熱面(殼體)散發(fā)出去,故LDMOS器件的內(nèi)部熱阻可以降至最低。而在雙極型大功率器件中,采用的是共基工作模式(基極接地),由于體積占大部分的集電極必須與地電隔離,芯片工作時產(chǎn)生的熱量要經(jīng)過起直流隔離作用的氧化鈹后才能流到散熱面(殼體),而氧化鈹本身具有較大的熱阻,故雙極型器件的內(nèi)部熱阻無法進(jìn)一步減低。因此,LDMOS比雙極型器件具有更好的散熱性能。LDMOS器件具有負(fù)溫度系數(shù),即隨著LDMOS器件自身溫度的升高,其輸出功率會相應(yīng)降低。這樣,器件本身的功耗將隨之降低,抑制了器件本身溫度進(jìn)一步升高,最后達(dá)到熱平衡,而使它具有很好的熱穩(wěn)定性,不會產(chǎn)生熱失控,增加了LDMOS器件的工作可靠性。而雙極型功率器件不具有負(fù)溫度系數(shù),工作時,隨著器件本身溫度的升高,器件的功耗隨之升高,這又使得器件本身溫度進(jìn)一步升高。如此惡性循環(huán)極易造成熱失控,使昂貴的雙極型功率器件因過溫而損壞。功率放大器總是在大信號狀態(tài)下應(yīng)用,或工作在1dB壓縮點(diǎn)附近。此時非線性變得非常嚴(yán)重,非線性產(chǎn)生的交調(diào)失真等直接影響系統(tǒng)的性能。LDMOS器件可在很大的輸出動態(tài)范圍內(nèi)獲得良好的增益線性度。圖1是標(biāo)稱200W的雙極型晶體管和LDMOS晶體管的增益～輸出功率曲線,實(shí)線表示的是LDMOS器件的增益～輸出功率曲線,而虛線表示雙極型器件的增益～輸出功率曲線。由圖中可看出,微波雙極型功率器件由于工作在C類狀態(tài),在大動態(tài)范圍內(nèi)其增益線性度很差,實(shí)際應(yīng)用時會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。而LDMOS器件在大功率輸出時,器件還遠(yuǎn)未飽和,并可達(dá)到30dB的輸出動態(tài)范圍。因此LDMOS器件的輸出信號在頻域方面(交調(diào)、互調(diào)、雜散和諧波)的特性也優(yōu)于雙極型功率器件。LDMOS的線性取決于其靜態(tài)電流,大的偏置電流意味著器件的工作狀態(tài)更接近A類,但通常此時的實(shí)際效率比較低,因此這種偏置大多只適用于低輸出功率電平,一般在要求高的輸出功率電平時,AB類偏置更為合適。我們可以在輸出功率、線性度和效率之間通過調(diào)制柵-源電壓進(jìn)行優(yōu)化而得到平衡。另外,與8dB增益的雙極型功率器件相比,LDMOS器件的增益可達(dá)到14dB。這意味著在設(shè)計放大鏈時原需三級雙極型功率器件串聯(lián)才能達(dá)到的增益現(xiàn)在只需二級LDMOS器件串聯(lián)就能達(dá)到,也就是說,在同樣輸入輸出條件下,使用LDMOS器件可以減少功率器件和元器件的數(shù)量以及電路的尺寸,同時,提高了放大鏈的附加效率,并可減低整個放大鏈的成本,從而提高了產(chǎn)品的性價比。信號波形千變?nèi)f化,而根據(jù)不同需要,對波形的上升沿和下降沿要求也不同,從幾十納秒至數(shù)微秒量級,LDMOS器件在高功率狀態(tài)下能保持極高的上升沿速度。圖2是LDMOS晶體管的開關(guān)特性曲線圖。圖中,虛線表示輸入特性,實(shí)線表示輸出特性,它表明,在滿功率輸出時,經(jīng)過器件放大后輸出信號的上升沿與輸入信號上升沿相比較幾乎沒有明顯變化,都為50ns。不過,由于偏置電路的設(shè)計對器件的工作特性有影響,因此,在設(shè)計時所用的低頻器件,必須具有良好的去耦性能。同時,在電路設(shè)計時,利用調(diào)制柵極還可以產(chǎn)生不同的波形信號(上升和下降時間根據(jù)需要通過柵極來調(diào)制)。而在大功率下利用雙極型晶體管,由于工作在C類狀態(tài)下,上升和下降時間都和其固有特性有關(guān)(通過外圍電路可以有改善,但要犧牲增益、效率、頂降等指標(biāo)),一般情況為數(shù)百納秒,并且很難產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形信號。晶體管功率器件在調(diào)試和使用中損壞與其擊穿電壓的高低、抗失配能力好壞密切相關(guān),當(dāng)輸入和輸出電路匹配不良時,功率器件的輸出信號與反射功率在其輸出端疊加產(chǎn)生的電平(入射信號與多次反射信號所迭加產(chǎn)生的峰值電平),大于該器件的擊穿電壓,將造成功率器件永久損壞。在調(diào)試正常以后,由于LDMOS器件具有較高的擊穿電壓(典型為80V)和較好的抗失配能力(SWR<6),在降額使用時,甚至可以開路而不損壞,而一般雙極型器件(同功率量級)的擊穿電壓在65V,抗失配能力SWR<3。可見,LDMOS器件比雙極型器件的可靠性高。LDMOS器件一般工作于AB類狀態(tài),其增益與Vgs成正比,利用這一特性,可以很方便地將控制脈沖加在LDMOS器件柵極,制成脈沖功率放大器,也可以通過改變LDMOS器件的Vgs來實(shí)現(xiàn)增益控制。這樣,就可以用同一種功率量級的器件制成不同輸出功率的放大器或可變增益放大器,這對于需要幅度加權(quán)的雷達(dá)天線陣列非常有意義。而大功率脈沖雙極型器件一般工作于C類狀態(tài),要改變其輸出功率只能通過改變其供電電壓來實(shí)現(xiàn)。2仿真及主要參數(shù)LDMOS功率器件已經(jīng)在GSM和PCS基站上得到了廣泛應(yīng)用,在L頻段上具有優(yōu)異的性能且價格低廉。LDMOS器件和普通雙極型功率器件相比具有以下優(yōu)點(diǎn):a)散熱性能好;b)熱穩(wěn)定性好;c)增益高;d)上升下降沿時間低;e)擊穿電壓較高;f)增益可控。另外,由于其輸入、輸出端口均設(shè)有內(nèi)匹配電路,簡化了放大器的電路設(shè)計,較高的阻抗值減小了LDMOS器件在電路中的位置精度和電路自身公差對放大器性能的影響。LDMOS應(yīng)用于大功率固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)時縮小了發(fā)射機(jī)的尺寸,降低了制造成本。需要指出的是,由于LDMOS器件是電壓控制器件,為降低成本,采用了陶瓷封裝,抗靜電能力及抗干擾能力較差,所以在設(shè)計中須仔細(xì)考慮腔體效應(yīng)的影響。在調(diào)試過程中可能出現(xiàn)瞬間峰值電平非常大,損壞LDMOS器件,因此對LDMOS器件的電路設(shè)計和調(diào)試提出了更高的要求。LDMOS器件最早用于通訊系統(tǒng),由于其通常工作于AB類方式,受偏置電路的影響,脈間噪聲和相位噪聲性能指標(biāo)不如傳統(tǒng)雙極型器件。由于雷達(dá)通常工作于收發(fā)分時工作模式,其接收靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通訊系統(tǒng),而LDMOS的脈間靜態(tài)電流所產(chǎn)生的噪聲可能高于接收的回波信號,如不加以抑制,將降低雷達(dá)接收機(jī)的接收靈敏度。傳統(tǒng)的解決辦法是在LDMOS器件柵極加一和射頻包絡(luò)同步的脈沖,以切斷脈間的工作電流(但同時存在電路復(fù)雜化和調(diào)制脈沖易被干擾的問題)。另外,在某些應(yīng)用中,雷達(dá)對相位噪聲要求也很高,而在工程中,由于LDMOS柵極電源的紋波可能引起信號的幅度變化,通過幅相轉(zhuǎn)換引起不利的相位噪聲,雖然用改善柵極饋電電路的方法可以改進(jìn),但導(dǎo)致成本上升和可靠性下降。另外,由于LDMOS的固有特性,其增益隨工作溫度的變化而變化,在功率器件級連時,如設(shè)計時不采取相應(yīng)的措施,有可能造成后級功率器件因輸入過激勵而損壞。所以,常需在柵極饋電電路中插入溫控電路。LDMOS在雷達(dá)中應(yīng)用有一個很大的缺憾,目前只能在S波段以下工作。因此,LDMOS很少應(yīng)用在大規(guī)模甚至超大規(guī)模的雷達(dá)系統(tǒng)中。3功率模塊測試結(jié)果分析選用國外公司的LDMOS功率管,用微波CAD技術(shù),設(shè)計出450W功率模塊,并可以此為基礎(chǔ)研制大功率發(fā)射組件。該LDMOS功率管的主要參數(shù)如表2所示。采用上述LDMOS功率管研制的功率模塊的原理框圖如圖3所示。其工作原理:1W左右的射頻信號經(jīng)35W功率管放大后輸出約35W左右的功率信號,通過3dB電橋?qū)⑿盘栆环譃槎?分別推動兩只250W功率管,將兩路信號分別放大至250W左右,再經(jīng)3dB電橋?qū)陕沸盘柡铣奢敵黾s450W的射頻信號。圖4為功率模塊的實(shí)物照片,該模塊的主要性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)見表3。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,LDMOS功率管具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、較高的增益、較低的上升下降沿時間,用二級放大就可得到用三～四級雙極型器件放大才能達(dá)到的輸出功率,縮小了外形尺寸,主要性能指標(biāo)滿足固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的要求。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),如果降低LDMOS功率管的偏置,其脈間噪聲和相位噪聲指標(biāo)相應(yīng)提高,但增益隨之降低。當(dāng)偏置為零時,LDMOS功率器件的增益與雙極型功率器件的增益相當(dāng),失去了高增益的優(yōu)勢。另外,由于LDMOS功率器件對靜電較為敏感,在調(diào)