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RF LDMOS 功放管 简介
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横向扩散金属氧化物半导体

LDMOS

lateral double-diffused metal-oxide semiconductor


LDMOS技术是为900MHz蜂窝电话技术开发的,蜂窝通信市场的不断增长保证了LDMOS晶体管的应用,也使得LDMOS的技术不断成熟,成本不断降低,因此今后在多数情况下它将取代双极型晶体管技术。

  与双极型晶体管相比,LDMOS管的增益更高,LDMOS管的增益可达14dB以上,而双极型晶体管在5~6dB,采用LDMOS管的PA模块的增益可达60dB左右。这表明对于相同的输出功率需要更少的器件,从而增大功放的可靠性。 LDMOS能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比,能在较高的反射功率下运行而没有破坏LDMOS设备;它较能承受输入信号的过激励和适合发射数字信号,因为它有高级的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波数字信号放大且失真较小。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平到饱和区,不像双极型晶体管那样互调电平高且随着功率电平的增加而变化。这种主要特性允许LDMOS晶体管执行高于双极型晶体管二倍的功率,且线性较好。LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数,因此可以防止热耗散的影响。这种温度稳定性允许幅值变化只有0.1dB,而在有相同的输入电平的情况下,双极型晶体管幅值变化从0.5~0.6dB,且通常需要温度补偿电路。

LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS器件结构如图1所示,LDMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源/漏区域注入两次,一次注入浓度较大(典型注入剂量 1015cm-2)的砷(As),另一次注入浓度较小(典型剂量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再进行一个高温推进过程,由于硼扩散比砷快,所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远(图中P阱),形成一个有浓度梯度的沟道,它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压,在有源区和漏区之间有一个漂移区。LDMOS中的漂移区是该类器件设计的关键,漂移区的杂质浓度比较低,因此,当LDMOS 接高压时,漂移区由于是高阻,能够承受更高的电压。图1所示LDMOS的多晶扩展到漂移区的场氧上面,充当场极板,会弱化漂移区的表面电场,有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关。要使场极板能充分发挥作用,一要设计好SiO2层的厚度,二要设计好场极板的长度。

LDMOS制造工艺结合了BPT和砷化镓工艺。与标准MOS工艺不同的是,在器件封装上,LDMOS没有采用BeO氧化铍隔离层,而是直接硬接在衬底上,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,大大延长了器件寿命。由于LDMOS管的负温效应,其漏电流在受热时自动均流,而不会象双极型管的正温度效应在收集极电流局部形成热点,从而管子不易损坏。所以LDMOS管大大加强了负载失配和过激励的承受能力。同样由于LDMOS管的自动均流作用,其输入-输出特性曲线在1dB 压缩点(大信号运用的饱和区段)下弯较缓,所以动态范围变宽,有利于模拟和数字电视射频信号放大。LDMOS在小信号放大时近似线性,几乎没有交调失真,很大程度简化了校正电路。MOS器件的直流栅极电流几乎为零,偏置电路简单,无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。

对LDMOS而言,外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压,但是这会增加芯片面积和导通电阻。高压DMOS器件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区,而低的导通电阻则要求薄的重掺杂外延层和短的漂移区,因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度,以便在满足一定的源漏击穿电压的前提下,得到最小的导通电阻。


LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体)

image:bk064921w-1.jpg

LDMOS元件具有基底,基底中形成有源极区与漏极区。在源极与漏极区之间的一部分基底上提供了一个绝缘层,以便在绝缘层与基底表面之间提供一个平面介面。然后在绝缘层的一部分之上形成绝缘构件,在部分绝缘构件与绝缘层之上形成栅极层。通过使用此结构,发现存在有平直的电流通道,使之能减少接通电阻,同时维持高击穿电压。

LDMOS 的优势

• 卓越的效率,可降低功率消耗与冷却成本

• 卓越的线性度,可将信号预校正需求降到非常低

• 优化超低热阻抗,可缩减放大器尺寸与冷却需求并改善可靠度

• 卓越的尖峰功率能力,可带来较少数据错误率的高 3G 数据率

• 高功率密度,使用较少的晶体管封装

• 超低感抗、回授电容与串流闸阻抗,目前可让 LDMOS 晶体管在双载子器件上提供 7 bB 的增益改善

• 直接源极接地,提升功率增益并免除 BeO 或 AIN 隔离物质的需求

• 在 GHz 频率下拥有高功率增益,带来更少设计步骤、更简易更具成本效益的设计 (采用低成本、低功率驱动晶体管)

• 绝佳的稳定性,由于负漏极电流温度常数,所以不受热散失的影响

• 比双载子更能忍受较高的负载未匹配现象 (VSWR),提高现场实际应用的可靠度

• 卓越的射频稳定度,在栅极与漏极间内置隔离层,可以降低回授电容

• 在平均无故障时间 (MTTF) 上有相当好的可靠度

LDMOS主要的缺点

1.功率密度低;

2.容易受到静电的破坏。当输出功率相近时,LDMOS器件的面积比双极型的大。这样,单晶圆上裸片的数量更少,从而使MOSFET(LDMOS)器件的成本更高。面积较大也限制了给定封装的最大有效功率。而静电通常可以高达几百伏,它会损坏LDMOS器件的源极到沟道的栅,所以防静电措施是必需的。

综上所述,LDMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA、TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。

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