介紹：
射頻功率放大器是個(gè)人通信系統(tǒng)(GSM, EDGE, W-CDMA, WiMAX)基站的關(guān)鍵部件。對(duì)于這些功率放大器，射頻橫向擴(kuò)散MOS
(LDMOS)晶體管由于其出色的功率能力，增益，效率，線性度，可靠性和低成本而成為標(biāo)準(zhǔn)選擇。
LDMOS晶體管也是廣播應(yīng)用中的器件選擇，其中帶寬，堅(jiān)固性和熱阻等附加要求很重要。在廣播應(yīng)用中，UHF (470-
860mhz)的帶寬(BW)要求幾乎是一個(gè)倍頻程，比基站中的W-CDMA信號(hào)大10倍以上。此外，LDMOS晶體管的設(shè)計(jì)，除了10:1的駐波比外，還應(yīng)具有承受大功率發(fā)射機(jī)突然失配的能力。由于要求低于0.4
K/W的高功率水平，晶體管和封裝的熱阻也非常關(guān)鍵。不斷有更高的功率水平的需求，以減少晶體管板的空間到最小。為了開發(fā)具有成本效益的廣播發(fā)射機(jī)，需要兩倍的最先進(jìn)功率(150w)才能使模擬放大器的直接2比1替換成為可能，而數(shù)字廣播信號(hào)甚至需要更高的功率水平。
最大功率受到低阻抗輸出匹配級(jí)的限制，給再現(xiàn)性和可靠性帶來了問題。解決方法是開發(fā)一種可以在更高電壓下工作的裝置。這增加了負(fù)載阻抗，使更可靠的電路設(shè)計(jì)成為可能，從而確保匹配元件的長(zhǎng)壽命。
本文介紹了40v
LDMOS技術(shù)及其向50v技術(shù)的演進(jìn)。這兩種技術(shù)都具有非常寬的頻帶操作，非常好的堅(jiān)固性和非常高的輸出功率，適用于UHF廣播應(yīng)用。與最先進(jìn)的32v
LDMOS器件相比，這些高壓器件(300- 500w)的功率增加了一倍以上。
設(shè)備描述
高壓射頻LDMOS技術(shù)是在基站射頻LDMOS技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。如圖1所示，該技術(shù)在8英寸CMOS晶圓廠中進(jìn)行處理，能夠光刻至0.14
um，其中LDMOST工藝源自具有LOCOS隔離的C075 CMOS (0.35
um柵極)工藝。在C075工藝的基礎(chǔ)上增加了基片源sink、CoSi2柵極硅化、鎢屏蔽、蘑菇型漏極結(jié)構(gòu)和厚2.8
μm的第四層AlCu金屬化層。該器件的布局如圖2所示。
它由許多(通常是50個(gè))平行的手指組成，由漏極和柵極連接條連接。四個(gè)這樣的模具組合在一個(gè)陶瓷推挽封裝實(shí)現(xiàn)一個(gè)電源產(chǎn)品。特別開發(fā)的ESD器件對(duì)柵極進(jìn)行保護(hù)。
通過設(shè)計(jì)漏極延伸、外延層厚度和屏蔽結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步將40 V和50 V的擊穿電壓分別提高到90 V和110 V，為高壓工作開辟了道路。
晶體管的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓都經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種優(yōu)化的成功可以從漏極延伸區(qū)域的電場(chǎng)分布非常平坦，柵極和漏極邊緣只有非常弱的峰值來識(shí)別。該分布如圖3所示。此外，由于這種工程場(chǎng)分布，晶體管的堅(jiān)固性和可靠性也得到了根本改善。
射頻性能
圖4顯示了0.86 GHz時(shí)高壓LDMOS在42 V電源電壓下的窄帶連續(xù)波ab類射頻性能。該器件的增益通常為21
dB，由串聯(lián)柵極電阻限制，以實(shí)現(xiàn)低頻的良好穩(wěn)定性和易于調(diào)諧。功率水平為400w時(shí)的峰值效率為65%，而50v電源電壓技術(shù)的峰值效率為500w(未示出)。
在圖5中，繪制了窄帶測(cè)試夾具中音調(diào)間距為100 kHz的雙音性能。三階調(diào)制間積IMD3穿過-30 dBc，接近200
W的平均輸出功率。相應(yīng)的漏極效率為52%。
廣播行業(yè)正在大規(guī)模引進(jìn)數(shù)字廣播，廣播公司和服務(wù)提供商迫切希望推進(jìn)數(shù)字傳輸。這個(gè)數(shù)字DVB-T信號(hào)是一個(gè)OFDM調(diào)制信號(hào)，CCDF的0.01%概率為9.6
dB(包絡(luò)方法)。在晶體管的輸出端，線性化需要大約8 dB的CCDF -
0.01%。晶體管應(yīng)能處理模擬和數(shù)字信號(hào)。DVB的設(shè)備性能如圖6所示。該信號(hào)的肩距(距離中心頻率為4.3 MHz)在平均輸出功率下保持在-32
dBc以下。增益約為20 dB，效率為32%。對(duì)于50v技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)120w的輸出功率和相同的效率。
射頻性能分析
從LDMOS的串聯(lián)和并聯(lián)損耗機(jī)制可以分析實(shí)際測(cè)量的DVB效率，并將其與b類的理論最大效率進(jìn)行比較。根據(jù)對(duì)小型設(shè)備的測(cè)量推斷，高壓技術(shù)在0.86
GHz時(shí)的最大效率約為75%。高壓效率曲線與回關(guān)閉功率的關(guān)系如圖10所示，我們看到這條曲線非常接近理論最大b類效率。測(cè)量到的30- 32%的DVB效率在8
dB回退時(shí)實(shí)現(xiàn)。在頻率為0.86 GHz和電源電壓為40-50
V時(shí)，由于導(dǎo)通電阻和輸出電容，我們有并聯(lián)和串聯(lián)損耗的組合。根據(jù)它們的技術(shù)值，我們估計(jì)了ab類的損失，如圖10中的藍(lán)色曲線所示。廣播應(yīng)用的高壓射頻LDMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的效率比從損耗機(jī)制理論估計(jì)的要高。這種差異可以歸因于更高的諧波貢獻(xiàn)，與截止頻率相比，這在低頻時(shí)變得重要。
可靠性
高壓LDMOS工藝是根據(jù)Ampleon使用的標(biāo)準(zhǔn)程序合格的，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。特別注意了熱載流子的降解。熱載流子降解是由高電場(chǎng)和高電流密度共同引起的。
當(dāng)晶體管偏置到靜態(tài)狀態(tài)時(shí)測(cè)量衰減，這是針對(duì)高壓技術(shù)的，通常在電流為5 mA / mm柵極寬度和漏源電壓為40-50
V的情況下。這種靜態(tài)電流的退化可能導(dǎo)致器件性能的變化。高壓器件的性能得到了改善，如圖12所示。在同一圖中，有一個(gè)廣播晶體管的退化數(shù)據(jù)，從一個(gè)32伏的一代。盡管新電壓晶體管的偏置條件較高，但它們幾乎沒有表現(xiàn)出任何退化。外推20年后，退化率僅為2%。
熱阻對(duì)300-
500w的器件來說非常重要。因此，利用ANSYS對(duì)其熱阻進(jìn)行了模擬。圖13顯示了一個(gè)模擬示例。利用該ANSYS工具對(duì)模具和封裝的熱阻進(jìn)行了優(yōu)化。這導(dǎo)致典型的測(cè)量值為0.35
K/W，結(jié)溫低于160°C，允許可靠的操作。
結(jié)論
總之，我們展示了新的高壓(40-50 V) RF LDMOS技術(shù)，該技術(shù)可以在高達(dá)1.0 GHz的頻率下提供300-500
W的連續(xù)波功率和75-110 W的線性平均DVB功率。這些技術(shù)具有非常好的堅(jiān)固性，一個(gè)八度的寬帶操作，并且非常可靠。
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