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LDMOS結構/優點

2012-02-14 來源:互聯網 字號:

      LDMOS( Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)橫向擴散金屬氧化物半導體)是為900MHz蜂窩電話技術開發的,蜂窩通信市場的不斷增長保證了LDMOS晶體管的應用,也使得LDMOS的技術不斷成熟,成本不斷降低,因此今后在多數情況下它將取代雙極型晶體管技術。與雙極型晶體管相比,LDMOS管的增益更高,LDMOS管的增益可達14dB以上,而雙極型晶體管在5~6dB,采用LDMOS管的PA模塊的增益可達60dB左右。這表明對于相同的輸出功率需要更少的器件,從而增大功放的可靠性。

  LDMOS能經受住高于雙極型晶體管3倍的駐波比,能在較高的反射功率下運行而沒有破壞LDMOS設備;它較能承受輸入信號的過激勵和適合發射數字信號,因為它有高級的瞬時峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波數字信號放大且失真較小。LDMOS管有一個低且無變化的互調電平到飽和區,不像雙極型晶體管那樣互調電平高且隨著功率電平的增加而變化。這種主要特性允許LDMOS晶體管執行高于雙極型晶體管二倍的功率,且線性較好。LDMOS晶體管具有較好的溫度特性溫度系數是負數,因此可以防止熱耗散的影響。這種溫度穩定性允許幅值變化只有0.1dB,而在有相同的輸入電平的情況下,雙極型晶體管幅值變化從0.5~0.6dB,且通常需要溫度補償電路。

  

  LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS器件結構如圖1所示,LDMOS是一種雙擴散結構的功率器件。這項技術是在相同的源/漏區域注入兩次,一次注入濃度較大(典型注入劑量 1015cm-2)的砷(As),另一次注入濃度較小(典型劑量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再進行一個高溫推進過程,由于硼擴散比砷快,所以在柵極邊界下會沿著橫向擴散更遠(圖中P阱),形成一個有濃度梯度的溝道,它的溝道長度由這兩次橫向擴散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓,在有源區和漏區之間有一個漂移區。LDMOS中的漂移區是該類器件設計的關鍵,漂移區的雜質濃度比較低,因此,當LDMOS 接高壓時,漂移區由于是高阻,能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴展到漂移區的場氧上面,充當場極板,會弱化漂移區的表面電場,有利于提高擊穿電壓。場極板的作用大小與場極板的長度密切相關。要使場極板能充分發揮作用,一要設計好SiO2層的厚度,二要設計好場極板的長度。

  LDMOS制造工藝結合了BPT和砷化鎵工藝。與標準MOS工藝不同的是,在器件封裝上,LDMOS沒有采用BeO氧化鈹隔離層,而是直接硬接在襯底上,導熱性能得到改善,提高了器件的耐高溫性,大大延長了器件壽命。由于LDMOS管的負溫效應,其漏電流在受熱時自動均流,而不會象雙極型管的正溫度效應在收集極電流局部形成熱點,從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強了負載失配和過激勵的承受能力。同樣由于LDMOS管的自動均流作用,其輸入-輸出特性曲線在1dB 壓縮點(大信號運用的飽和區段)下彎較緩,所以動態范圍變寬,有利于模擬和數字電視射頻信號放大。LDMOS在小信號放大時近似線性,幾乎沒有交調失真,很大程度簡化了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零,偏置電路簡單,無需復雜的帶正溫度補償的有源低阻抗偏置電路。

  對LDMOS而言,外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區的長度是其最重要的特性參數。我們可以通過增加漂移區的長度以提高擊穿電壓,但是這會增加芯片面積和導通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區長度的折中選擇。因為耐壓和導通阻抗對于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻雜外延層和長的漂移區,而低的導通電阻則要求薄的重摻雜外延層和短的漂移區,因此必須選擇最佳外延參數和漂移區長度,以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提下,得到最小的導通電阻。

  LDMOS在以下方面具有出眾的性能:

  1.熱穩定性;2.頻率穩定性;3.更高的增益;4.提高的耐久性;5.更低的噪音;6.更低的反饋電容;7.更簡單的偏流電路;8.恒定的輸入阻抗;9.更好的IMD性能;10.更低的熱阻;11.更佳的AGC能力。LDMOS器件特別適用于CDMA、W-CDMA、TETRA、數字地面電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應用。

  LDMOS 初期主要面向移動電話基站的 RF 功率放大器,也可以應用于 HF、VHF 與 UHF 廣播傳輸器以及微波雷達與導航系統等等。凌駕于所有 RF 功率技術,側面擴散 MOS (LDMOS, Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 晶體管技術為新一代基站放大器帶來較高的功率峰均比 (PAR, Peak-to-Aerage)、更高增益與線性度,同時為多媒體服務帶來更高的數據傳輸率。此外,卓越的效能也隨著效率以及功率密度持續不斷地提升。過去四年來,飛利浦第二代 0.8 微米 LDMOS 技術在 GSM、EDGE 與 CDMA 系統上擁有耀眼的效能與穩定的批量生產能力,現階段為了滿足多載波功率放大器 (MCPA) 與 W-CDMA 標準的需求,還提供了更新的 LDMOS 技術。

  飛利浦第三代 0.8 微米超低失真 LDMOS 技術采用非統一參雜 (doping) 方式,稱之為分散 Vt 概念,與傳統的 LDMOS 比較,補償線性提升了 5 到 8dB,使得這項技術特別適合應用于 3G 基站內的 MCPA 驅動器,同時比上一代 LDMOS 產品的功率增益要高 2 dB。

  飛利浦第四代 LDMOS 技術將效能進一步提升,這種新型的 0.6 微米工藝提升了 50% 的功率密度以及 6 % 到 8 % 的 W-CDMA 效率,功率增益則也比先前的 0.8 微米技術提高了 2 dB。

  飛利浦的第五代 LDMOS 技術將效能提升到全新的境界,它為 W-CDMA 放大器效率奠定了新標準,同時提供所有移動電話標準的主要優勢,例如 0.4 微米工藝技術為 W-CDMA 帶來超過 30% 的效率,并為 PCS/DCS 帶來 17dB 的增益,此外,低記憶效應也可以使用最新的數字預失真 (DPD, Pre-Distortion) 系統,高線性度則可以改善多載波功率放大器。我們的第五代技術同時也將熱阻抗由第四代的 0.76 降低到 0.5 K/W,這將可以提升可靠度、縮小基站的尺寸并節省功率與冷卻成本,第五代的 LDMOS 比第四代高了 20% 的功率密度,讓我們能夠推出在單端式封裝上達 150W CW 運作的器件。

  我們的第五代

LDMOS 采用專利的四層金屬堆棧來進一步提升可靠度與平均無故障時間 (MTTF),而寬厚的 AlCu 金屬化方式也比傳統的 LDMOS 在相同 MTTF 下高了 25°C 的接點溫度運作,如果使用于 160°C 的標準晶體管接點溫度上,這項技術比傳統 W-CDMA 運作應用的 LDMOS 可靠度高上四倍,MTTF 將超過 1000 年。

  我們的 0.14 微米工藝能力可將技術更進一步優化,將 LDMOS 效能帶到 LDMOS 效率的理論極限,在此之后,新的器件架構將著重于如何讓 LDMOS 為新型態晶體管運作優化,并強化如 Doherty 等概念。

運作面:

  絕佳的穩定性,由于負汲極電流溫度常數,所以不受熱散失的影響

  比雙載子更能忍受較高的負載未匹配現象 (VSWR),提高現場實際應用的可靠度

  卓越的射頻穩定度,在閘極與汲極間內置隔離層,可以降低回授電容

  在平均無故障時間 (MTTF) 上有相當好的可靠度

  LDMOS 的優勢

  技術面:
  卓越的效率,可降低功率消耗與冷卻成本

  卓越的線性度,可將信號預校正需求降到最低

  優化超低熱阻抗,可縮減放大器尺寸與冷卻需求并改善可靠度

  卓越的尖峰功率能力,可帶來最少數據錯誤率的高 3G 數據率

  高功率密度,使用較少的晶體管封裝

  超低感抗、回授電容與串流閘阻抗,目前可讓 LDMOS 晶體管在雙載子器件上提供 7 bB 的增益改善

  直接源極接地,提升功率增益并免除 BeO 或 AIN 隔離物質的需求

  在 GHz 頻率下擁有高功率增益,帶來更少設計步驟、更簡易更具成本效益的設計 (采用低成本、低功率驅動晶體管)。

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