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　　介紹：

　　射頻功率放大器是個人通信系統(GSM, EDGE, W-CDMA, WiMAX)基站的關鍵部件。對于這些功率放大器，射頻橫向擴散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準選擇。

　　LDMOS晶體管也是廣播應用中的器件選擇，其中帶寬，堅固性和熱阻等附加要求很重要。在廣播應用中，UHF (470- 860mhz)的帶寬(BW)要求幾乎是一個倍頻程，比基站中的W-CDMA信號大10倍以上。此外，LDMOS晶體管的設計，除了10:1的駐波比外，還應具有承受大功率發射機突然失配的能力。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。為了開發具有成本效益的廣播發射機，需要兩倍的最先進功率(150w)才能使模擬放大器的直接2比1替換成為可能，而數字廣播信號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的限制，給再現性和可靠性帶來了問題。解決方法是開發一種可以在更高電壓下工作的裝置。這增加了負載阻抗，使更可靠的電路設計成為可能，從而確保匹配元件的長壽命。

　　本文介紹了40v LDMOS技術及其向50v技術的演進。這兩種技術都具有非常寬的頻帶操作，非常好的堅固性和非常高的輸出功率，適用于UHF廣播應用。與最先進的32v LDMOS器件相比，這些高壓器件(300- 500w)的功率增加了一倍以上。

　　設備描述

　　高壓射頻LDMOS技術是在基站射頻LDMOS技術的基礎上發展起來的。如圖1所示，該技術在8英寸CMOS晶圓廠中進行處理，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工藝的基礎上增加了基片源sink、CoSi2柵極硅化、鎢屏蔽、蘑菇型漏極結構和厚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)平行的手指組成，由漏極和柵極連接條連接。四個這樣的模具組合在一個陶瓷推挽封裝實現一個電源產品。特別開發的ESD器件對柵極進行保護。

　　通過設計漏極延伸、外延層厚度和屏蔽結構，進一步將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。

　　晶體管的導通電阻和擊穿電壓都經過優化設計。這種優化的成功可以從漏極延伸區域的電場分布非常平坦，柵極和漏極邊緣只有非常弱的峰值來識別。該分布如圖3所示。此外，由于這種工程場分布，晶體管的堅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時高壓LDMOS在42 V電源電壓下的窄帶連續波ab類射頻性能。該器件的增益通常為21 dB，由串聯柵極電阻限制，以實現低頻的良好穩定性和易于調諧。功率水平為400w時的峰值效率為65%，而50v電源電壓技術的峰值效率為500w(未示出)。

　　在圖5中，繪制了窄帶測試夾具中音調間距為100 kHz的雙音性能。三階調制間積IMD3穿過-30 dBc，接近200 W的平均輸出功率。相應的漏極效率為52%。

　　廣播行業正在大規模引進數字廣播，廣播公司和服務提供商迫切希望推進數字傳輸。這個數字DVB-T信號是一個OFDM調制信號，CCDF的0.01%概率為9.6 dB(包絡方法)。在晶體管的輸出端，線性化需要大約8 dB的CCDF - 0.01%。晶體管應能處理模擬和數字信號。DVB的設備性能如圖6所示。該信號的肩距(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%。對于50v技術，可以實現120w的輸出功率和相同的效率。

　　射頻性能分析

　　從LDMOS的串聯和并聯損耗機制可以分析實際測量的DVB效率，并將其與b類的理論最大效率進行比較。根據對小型設備的測量推斷，高壓技術在0.86 GHz時的最大效率約為75%。高壓效率曲線與回關閉功率的關系如圖10所示，我們看到這條曲線非常接近理論最大b類效率。測量到的30- 32%的DVB效率在8 dB回退時實現。在頻率為0.86 GHz和電源電壓為40-50 V時，由于導通電阻和輸出電容，我們有并聯和串聯損耗的組合。根據它們的技術值，我們估計了ab類的損失，如圖10中的藍色曲線所示。廣播應用的高壓射頻LDMOS技術實現的效率比從損耗機制理論估計的要高。這種差異可以歸因于更高的諧波貢獻，與截止頻率相比，這在低頻時變得重要。

　　可靠性

　　高壓LDMOS工藝是根據Ampleon使用的標準程序合格的，符合行業標準。特別注意了熱載流子的降解。熱載流子降解是由高電場和高電流密度共同引起的。

　　當晶體管偏置到靜態狀態時測量衰減，這是針對高壓技術的，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。這種靜態電流的退化可能導致器件性能的變化。高壓器件的性能得到了改善，如圖12所示。在同一圖中，有一個廣播晶體管的退化數據，從一個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出任何退化。外推20年后，退化率僅為2%。

　　熱阻對300- 500w的器件來說非常重要。因此，利用ANSYS對其熱阻進行了模擬。圖13顯示了一個模擬示例。利用該ANSYS工具對模具和封裝的熱阻進行了優化。這導致典型的測量值為0.35 K/W，結溫低于160°C，允許可靠的操作。

　　結論

　　總之，我們展示了新的高壓(40-50 V) RF LDMOS技術，該技術可以在高達1.0 GHz的頻率下提供300-500 W的連續波功率和75-110 W的線性平均DVB功率。這些技術具有非常好的堅固性，一個八度的寬帶操作，并且非常可靠。

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