LDMOS结构/优点

2012-02-11 17:17:25来源: 互联网 关键字:LDMOS
LDMOS( Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)横向扩散金属氧化物半导体)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

 

  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在以下方面具有出众的性能:

  1.热稳定性;2.频率稳定性;3.更高的增益;4.提高的耐久性;5.更低的噪音;6.更低的反馈电容;7.更简单的偏流电路;8.恒定的输入阻抗;9.更好的IMD性能;10.更低的热阻;11.更佳的AGC能力。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。

  LDMOS 初期主要面向移动电话基站的 RF 功率放大器,也可以应用于 HF、VHF 与 UHF 广播传输器以及微波雷达与导航系统等等。凌驾于所有 RF 功率技术,侧面扩散 MOS (LDMOS, Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 晶体管技术为新一代基站放大器带来较高的功率峰均比 (PAR, Peak-to-Aerage)、更高增益与线性度,同时为多媒体服务带来更高的数据传输率。此外,卓越的效能也随着效率以及功率密度持续不断地提升。过去四年来,飞利浦第二代 0.8 微米 LDMOS 技术在 GSM、EDGE 与 CDMA 系统上拥有耀眼的效能与稳定的批量生产能力,现阶段为了满足多载波功率放大器 (MCPA) 与 W-CDMA 标准的需求,还提供了更新的 LDMOS 技术。

  飞利浦第三代 0.8 微米超低失真 LDMOS 技术采用非统一参杂 (doping) 方式,称之为分散 Vt 概念,与传统的 LDMOS 比较,补偿线性提升了 5 到 8dB,使得这项技术特别适合应用于 3G 基站内的 MCPA 驱动器,同时比上一代 LDMOS 产品的功率增益要高 2 dB。

  飞利浦第四代 LDMOS 技术将效能进一步提升,这种新型的 0.6 微米工艺提升了 50% 的功率密度以及 6 % 到 8 % 的 W-CDMA 效率,功率增益则也比先前的 0.8 微米技术提高了 2 dB。

  飞利浦的第五代 LDMOS 技术将效能提升到全新的境界,它为 W-CDMA 放大器效率奠定了新标准,同时提供所有移动电话标准的主要优势,例如 0.4 微米工艺技术为 W-CDMA 带来超过 30% 的效率,并为 PCS/DCS 带来 17dB 的增益,此外,低记忆效应也可以使用最新的数字预失真 (DPD, Pre-Distortion) 系统,高线性度则可以改善多载波功率放大器。我们的第五代技术同时也将热阻抗由第四代的 0.76 降低到 0.5 K/W,这将可以提升可靠度、缩小基站的尺寸并节省功率与冷却成本,第五代的 LDMOS 比第四代高了 20% 的功率密度,让我们能够推出在单端式封装上达 150W CW 运作的器件。

  我们的第五代 LDMOS 采用专利的四层金属堆栈来进一步提升可靠度与平均无故障时间 (MTTF),而宽厚的 AlCu 金属化方式也比传统的 LDMOS 在相同 MTTF 下高了 25°C 的接点温度运作,如果使用于 160°C 的标准晶体管接点温度上,这项技术比传统 W-CDMA 运作应用的 LDMOS 可靠度高上四倍,MTTF 将超过 1000 年。

  我们的 0.14 微米工艺能力可将技术更进一步优化,将 LDMOS 效能带到 LDMOS 效率的理论极限,在此之后,新的器件架构将着重于如何让 LDMOS 为新型态晶体管运作优化,并强化如 Doherty 等概念。

  绝佳的稳定性,由于负汲极电流温度常数,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,在闸极与汲极间内置隔离层,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 的优势

  技术面:

  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最低

  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,可带来最少数据错误率的高 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)

关键字:LDMOS

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0211/article_14186.html
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