射频ldmos功率器件的研究

射频ldmos功率器件的研究

u3000国外合成wsfp器件和工艺介绍随着固体雷达技术的发展，人们对固体雷达设备的可靠性、可靠性和价格有了越来越高的要求。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)是一种市场需求大,发展前景广的射频功率器件,已成为射频半导体功率器件的一个新热点。世界各大半导体厂商如Freescale公司(占全球市场60%)、Philips公司(占全球市场25%)、Infineon公司以及STM公司等竞相研究与开发。九十年代中后期开始大批量生产LDMOS,作为微波低端大功率(20W以上)器件的主流技术,在2.4GHz以下输出峰值可达到200W以上,年产量超过4亿美元。与传统的双极型晶体管相比,LDMOS器件在2.4GHz以下频段时,增益、线性度、开关性能、散热性能、价格等方面都有着明显的优势。今后LDMOS将向更高频率、更低成本方向发展,见表1。1ldams器件与双极型功率器件的性能对比RFLDMOS是为射频功率放大器而设计的经改进的n沟道MOSFET。在LDMOS管中,用高集成无源和有源区域来代替传统的大功率射频芯片分立的有源区——利用它本身的结构很容易组成内部输入和输出匹配电路,并利用金属化栅极来减少串联电阻、增加功率增益。P+通道确保了源极和地之间有良好电接触,免除了焊线连接,降低了源极的电感,增加了器件的本征增益。一个屏蔽层置于栅、漏极之间以降低反馈电容、较长的栅极长度可满足大动态范围的增益和线性要求。这种结构的静态漏极电流Idq漂移20年内小于10%。由于大功率器件的寿命与其结温密切相关,其工作结温越高,寿命越低,有资料显示,大功率器件的结温每升高10℃,其工作寿命减少1/2。所以,如何提高功率器件的散热性能直接关系到其使用寿命。由于LDMOS采用了共源工作模式(源极直接接地)、减少了源极的封装电感并提供了优良的热接触面,所以,芯片工作时产生的大量热量可以直接通过散热面(壳体)散发出去,故LDMOS器件的内部热阻可以降至最低。而在双极型大功率器件中,采用的是共基工作模式(基极接地),由于体积占大部分的集电极必须与地电隔离,芯片工作时产生的热量要经过起直流隔离作用的氧化铍后才能流到散热面(壳体),而氧化铍本身具有较大的热阻,故双极型器件的内部热阻无法进一步减低。因此,LDMOS比双极型器件具有更好的散热性能。LDMOS器件具有负温度系数,即随着LDMOS器件自身温度的升高,其输出功率会相应降低。这样,器件本身的功耗将随之降低,抑制了器件本身温度进一步升高,最后达到热平衡,而使它具有很好的热稳定性,不会产生热失控,增加了LDMOS器件的工作可靠性。而双极型功率器件不具有负温度系数,工作时,随着器件本身温度的升高,器件的功耗随之升高,这又使得器件本身温度进一步升高。如此恶性循环极易造成热失控,使昂贵的双极型功率器件因过温而损坏。功率放大器总是在大信号状态下应用,或工作在1dB压缩点附近。此时非线性变得非常严重,非线性产生的交调失真等直接影响系统的性能。LDMOS器件可在很大的输出动态范围内获得良好的增益线性度。图1是标称200W的双极型晶体管和LDMOS晶体管的增益～输出功率曲线,实线表示的是LDMOS器件的增益～输出功率曲线,而虚线表示双极型器件的增益～输出功率曲线。由图中可看出,微波双极型功率器件由于工作在C类状态,在大动态范围内其增益线性度很差,实际应用时会产生严重的非线性失真。而LDMOS器件在大功率输出时,器件还远未饱和,并可达到30dB的输出动态范围。因此LDMOS器件的输出信号在频域方面(交调、互调、杂散和谐波)的特性也优于双极型功率器件。LDMOS的线性取决于其静态电流,大的偏置电流意味着器件的工作状态更接近A类,但通常此时的实际效率比较低,因此这种偏置大多只适用于低输出功率电平,一般在要求高的输出功率电平时,AB类偏置更为合适。我们可以在输出功率、线性度和效率之间通过调制栅-源电压进行优化而得到平衡。另外,与8dB增益的双极型功率器件相比,LDMOS器件的增益可达到14dB。这意味着在设计放大链时原需三级双极型功率器件串联才能达到的增益现在只需二级LDMOS器件串联就能达到,也就是说,在同样输入输出条件下,使用LDMOS器件可以减少功率器件和元器件的数量以及电路的尺寸,同时,提高了放大链的附加效率,并可减低整个放大链的成本,从而提高了产品的性价比。信号波形千变万化,而根据不同需要,对波形的上升沿和下降沿要求也不同,从几十纳秒至数微秒量级,LDMOS器件在高功率状态下能保持极高的上升沿速度。图2是LDMOS晶体管的开关特性曲线图。图中,虚线表示输入特性,实线表示输出特性,它表明,在满功率输出时,经过器件放大后输出信号的上升沿与输入信号上升沿相比较几乎没有明显变化,都为50ns。不过,由于偏置电路的设计对器件的工作特性有影响,因此,在设计时所用的低频器件,必须具有良好的去耦性能。同时,在电路设计时,利用调制栅极还可以产生不同的波形信号(上升和下降时间根据需要通过栅极来调制)。而在大功率下利用双极型晶体管,由于工作在C类状态下,上升和下降时间都和其固有特性有关(通过外围电路可以有改善,但要牺牲增益、效率、顶降等指标),一般情况为数百纳秒,并且很难产生比较复杂的波形信号。晶体管功率器件在调试和使用中损坏与其击穿电压的高低、抗失配能力好坏密切相关,当输入和输出电路匹配不良时,功率器件的输出信号与反射功率在其输出端叠加产生的电平(入射信号与多次反射信号所迭加产生的峰值电平),大于该器件的击穿电压,将造成功率器件永久损坏。在调试正常以后,由于LDMOS器件具有较高的击穿电压(典型为80V)和较好的抗失配能力(SWR<6),在降额使用时,甚至可以开路而不损坏,而一般双极型器件(同功率量级)的击穿电压在65V,抗失配能力SWR<3。可见,LDMOS器件比双极型器件的可靠性高。LDMOS器件一般工作于AB类状态,其增益与Vgs成正比,利用这一特性,可以很方便地将控制脉冲加在LDMOS器件栅极,制成脉冲功率放大器,也可以通过改变LDMOS器件的Vgs来实现增益控制。这样,就可以用同一种功率量级的器件制成不同输出功率的放大器或可变增益放大器,这对于需要幅度加权的雷达天线阵列非常有意义。而大功率脉冲双极型器件一般工作于C类状态,要改变其输出功率只能通过改变其供电电压来实现。2仿真及主要参数LDMOS功率器件已经在GSM和PCS基站上得到了广泛应用,在L频段上具有优异的性能且价格低廉。LDMOS器件和普通双极型功率器件相比具有以下优点:a)散热性能好;b)热稳定性好;c)增益高;d)上升下降沿时间低;e)击穿电压较高;f)增益可控。另外,由于其输入、输出端口均设有内匹配电路,简化了放大器的电路设计,较高的阻抗值减小了LDMOS器件在电路中的位置精度和电路自身公差对放大器性能的影响。LDMOS应用于大功率固态雷达发射机时缩小了发射机的尺寸,降低了制造成本。需要指出的是,由于LDMOS器件是电压控制器件,为降低成本,采用了陶瓷封装,抗静电能力及抗干扰能力较差,所以在设计中须仔细考虑腔体效应的影响。在调试过程中可能出现瞬间峰值电平非常大,损坏LDMOS器件,因此对LDMOS器件的电路设计和调试提出了更高的要求。LDMOS器件最早用于通讯系统,由于其通常工作于AB类方式,受偏置电路的影响,脉间噪声和相位噪声性能指标不如传统双极型器件。由于雷达通常工作于收发分时工作模式,其接收灵敏度远远高于通讯系统,而LDMOS的脉间静态电流所产生的噪声可能高于接收的回波信号,如不加以抑制,将降低雷达接收机的接收灵敏度。传统的解决办法是在LDMOS器件栅极加一和射频包络同步的脉冲,以切断脉间的工作电流(但同时存在电路复杂化和调制脉冲易被干扰的问题)。另外,在某些应用中,雷达对相位噪声要求也很高,而在工程中,由于LDMOS栅极电源的纹波可能引起信号的幅度变化,通过幅相转换引起不利的相位噪声,虽然用改善栅极馈电电路的方法可以改进,但导致成本上升和可靠性下降。另外,由于LDMOS的固有特性,其增益随工作温度的变化而变化,在功率器件级连时,如设计时不采取相应的措施,有可能造成后级功率器件因输入过激励而损坏。所以,常需在栅极馈电电路中插入温控电路。LDMOS在雷达中应用有一个很大的缺憾,目前只能在S波段以下工作。因此,LDMOS很少应用在大规模甚至超大规模的雷达系统中。3功率模块测试结果分析选用国外公司的LDMOS功率管,用微波CAD技术,设计出450W功率模块,并可以此为基础研制大功率发射组件。该LDMOS功率管的主要参数如表2所示。采用上述LDMOS功率管研制的功率模块的原理框图如图3所示。其工作原理:1W左右的射频信号经35W功率管放大后输出约35W左右的功率信号,通过3dB电桥将信号一分为二,分别推动两只250W功率管,将两路信号分别放大至250W左右,再经3dB电桥将两路信号合成输出约450W的射频信号。图4为功率模块的实物照片,该模块的主要性能指标测试数据见表3。从实验结果来看,LDMOS功率管具有优秀的热稳定性、较高的增益、较低的上升下降沿时间,用二级放大就可得到用三～四级双极型器件放大才能达到的输出功率,缩小了外形尺寸,主要性能指标满足固态雷达发射机的要求。在实验中还发现,如果降低LDMOS功率管的偏置,其脉间噪声和相位噪声指标相应提高,但增益随之降低。当偏置为零时,LDMOS功率器件的增益与双极型功率器件的增益相当,失去了高增益的优势。另外,由于LDMOS功率器件对静电较为敏感,在调