夏体荣
（贵州省广播电影电视技术管理中心，贵州 贵阳 550002）
【摘要】LDMOS射频功率晶体管具有超耐用、高功率、高效率和高增益等优良的性能。它以空前的功率水平实现高增益，这大大减少了所需的部件数量，与传统设计相比，部件数量大大地减少，部件数量的大幅减少，使主板空间要求和制造复杂性随之降低。这样的效率水平能够大大减少放大器设计的复杂性、增益进阶、部件数量和电路板数量，最终使放大器成本全面降低。
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关键词 LDMOS射频功率晶体管；高功率；高增益；高效率；耐用性
0 概述
随着功率半导体器件和电子科技的飞速发展，LDMOS（大功率硅横向扩散金属氧化物半导体）射频功率晶体管在制造技术上得到了质的突破。LDMOS射频功率晶体管作为功率MOS器件的一种横向高压器件非常适用于功率集成电路，它一方面具有很高的击穿电压和良好的导通特性，另一方面其栅、源和漏电极都在表面引出，从而非常容易和标准CMOS工艺相兼容，生产成本低。因此，近年来LDMOS射频功率晶体管得到广泛的关注和研究。
1 射频功率晶体管发展状况
自1952年第一个功率半导体器件问世以来，到了20世纪60年代，功率MOS器件开始被人们研究和制造，由于这种结构的MOS管不可能做成高压大电流的功率器件，为了解决这一矛盾，自70年代末起，一些学者就积极地开展了硅材料高温器件和集成电路的研究；1984年后，一些学者开始对高温MOS晶体管和CMOS集成电路进行了系统研究；到了80年代末，一些学者对高温大功率晶体管进行了深入的研究，LDMOS射频功率晶体管也从此进入了高温功率器件的历史舞台。LDMOS射频功率晶体管以其大功率、高线性度和高效率等优点得到广泛的应用。
2 LDMOS射频功率晶体管的性能
LDMOS射频功率晶体管具有以下众多的优点：1）源漏栅三个电极都可以从表面引出，易于跟标准的MOS工艺兼容。2）LDMOS是多子器件，无存储效应，工作频率高，开关速度快，开关损耗小。3）LDMOS是压控器件，输入阻抗高，电流增益大，驱动功率小，驱动电路简单。4）LDMOS是短沟器件，跨导线性度高，放大失真小。5）LDMOS是负电流温度系数器件，不易发生二次击穿，安全工作区宽，热稳定性好。
LDMOS射频功率晶体管是横向高压功率MOS的一种，具有横向的沟道结构，器件的漏极、源极和栅极都在芯片表面，易于通过内部连接与低压信号电路集成，所以在高压集成电路和功率集成电路中作为高压功率器件是特别适合的。在高压功率集成电路中常采用高压LDMOS射频功率晶体管满足耐高压、实现功率控制等方面的要求，常用于射频功率电路。它与晶体管相比，在关键的器件特性方面，如增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面优势很明显。
LDMOS射频功率晶体管它较能承受输入信号的过激励和适合发射射频信号，因为它有高级的瞬时峰值功率，它的增益曲线较平滑并且允许多载波射频信号放大且失真较小。它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。这种主要特性允许它执行高于双极型晶体管二倍的功率，且线性较好。它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。
采用具有更高功率的新型LDMOS晶体管，单只晶体管的功率越大意味着单个功率放大器所用的晶体管数量越少，设备的成本也就越低，这表明对于相同的输出功率需要更少的器件，从而增大功率放大的可靠性。最新的LDMOS晶体管能够覆盖整个UHF波段,也就是说，一个功率放大模块在不需要调整的情况下可在UHF波段的任一频率下运行。值得注意的是，并不是所有称为“宽带”的功率放大器都能工作在整个UHF波段，有些需要两种甚至三种类型的放大器覆盖整个波段，需要牺牲增益以满足带宽。较高的增益意味着少量的晶体管和较低的成本，但是在降低一带宽的情况下，这意味着需要两种或二种类犁的功率放大器覆盖整个电视波段。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平饱和区，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,这种特性允许LDMOS晶体管承受高于双极型晶体管二倍的功率，且线性较好。
功率器件一般需要处理较大的电流，发热比较厉害，这些热量需要通过封装散发出去。因此，在封装设计中应保证有尽可能低的热阻，以使器件能耗散较大的功率。为了保证器件的散热条件良好，能经受热冲击，使得芯片能尽量在较高结温下工作而不致发生失效，因为功率器件的功耗大，温度高，则当其处于断续工作状态时，器件内部的温度将发生剧烈的、周期性的变化，这就是功率器件的热疲劳现象。热疲劳现象往往是导致功率器件失效的主要机理，现已成为标志功率晶体管可靠性水平的重要参数。
各种半导体器件无论在静态还是动态工作中，均有能量损耗，这种损耗一般以热的形式产生于PN结处（结型器件）、沟道内（场效应器件）或者接触势垒区（肖特基器件）以及集成电路中的扩散电阻或薄膜电阻上，器件有源区的热量必然引起其相对于芯片其他部位和周围介质间的温度差。
LDMOS射频功率晶体管的导通电阻近似呈现一个正温度系数，随着温度的升高，它的导通电阻不断上升，器件的性能也越来越不理想。随着温度的进一步升高，当到达本征温度后，由于本征激发的因素占据主导地位，导通电阻反而会随着温度升高而下降。这种温度稳定性只允许幅值有0.1dB的变化，而在输入电平相同的情况下,双极型晶体管的幅值变化为0.5～0.6dB，且通常需要温度补偿电路。
通过分析，得到了以下的结论：1）体硅LDMOS射频功率晶体管的阈值电压随着温度的升高不断降低。2）随着温度的增加，关态漏电流呈指数增加。高温时的关态漏电流可以和开态的工作电流相比拟，这么大的关态漏电流成为限制LDMOS射频功率晶体管工作在高温下的最主要因素。3）LDMOS射频功率晶体管的导通电阻随着温度的增加不断上升。4）LDMOS射频功率晶体管的击穿电压随着温度的升高略有上升。5）LDMOS射频功率晶体管饱和电流的温度系数可正可负，在栅压为5V情况时，饱和电流是随着温度的增加而下降的。LDMOS射频功率晶体管由于其优异的驱动电流，较高的工作电压，简单的制作工艺和低廉的成本，被广泛的应用于高压或高低压兼容的功率集成电路中。
3 LDMOS射频功率晶体管的应用
目前制造的LDMOS大功率射频晶体管比以往任何时候都更坚实耐用。它的高耐用性主要体现在可以承受严重的失配，即使在满输出电平时也是如此。现在多家制造商提供了大功率硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管，这种产品能够承受相当于65.0:1的电压驻波比（VSWR）的负载失配。VSWR是作为品质因数用来表示负载失配的程度，例如，当负载失配程度较大时，射频功率晶体管的部份输出功率将被反射回器件，并且必须以热量形式消散掉。
对于目前市场上的几款器件来说，20.0:1 VSWR额定值甚至可能有些保守了。例如，恩智浦半导体公司（NXP）(原荷兰皇家飞利浦公司)和飞思卡尔半导体公司（Freescale）(原摩托罗拉半导体部）都有几款硅LDMOS大功率晶体管器件可以承受VSWR为65.0:1甚至更高的负载失配条件下正常工作。
恩智浦半导体的 BLF578XR是该公司的流行型号BLF578晶体管的耐用版本，适用于广播和ISM频段应用，并可以匹配从高频至500MHz的应用。在100μs脉宽和20%脉冲占空比时，工作在225MHz的BLF578XR可以提供1400W的峰值脉冲输出功率。该器件在这些条件下还能达到24dB的功率增益和71%的典型漏极效率，并具有集成的静电放电（ESD）保护功能，另外，BLF578XR在108MHz、连续波状态下可提供1200W的额定输出功率。
飞思卡尔半导体也拥有“耐用型”LDMOS射频功率晶体管，该公司在认证其具有相同脉冲和连续波输出功率额定值器件时的做法非常独特，所有器件都要通过负载失配程度相当于 65.0:1 的VSWR或更高条件下的测试，通过测试的器件不能有损坏或性能下降。MRFE6VP61K25HR6就是一款增强型LDMOS射频功率晶体管，可在频率高达600MHz范围内提供1250W的额定脉冲和连续波输出功率，并且能够在负载失配相当于65.0:1的VSWR条件下正常工作。
这些晶体管经过了以下耐用性认证：在频率为230MHz、10μs脉宽和20%占空比的脉冲条件下所有相位角可承受相当于65.0:1的VSWR的负载失配。这些器件的测试是在+50VDC电源和100mA静态漏电流条件下进行的。此外，晶体管还在输入功率电平等于两倍于额定最大输入功率电平的条件下对这些器件进行了评估，结果同样完好无损。这些大功率晶体管能以单端或推拉方式工作，它们实际上可工作在从30V至50V的电源下，因此具有很大的设计灵活性。
其实耐用性只是LDMOS射频功率晶体管性能优良的一个方面，它的另一个亮点则是高功率、高效率和高增益。与双极型晶体管相比，LDMOS管的增益更高，可达14dB以上，而双极型晶体管的增益为5～6dB，采用LDMOS管的功率放大模块的增益可达60dB左右,它以空前的功率水平实现高增益，这大大减少了所需的部件数量，与传统设计相比，部件数量大大地减少，部件数量的大幅减少，使主板空间要求和制造复杂性随之降低。这样的效率水平能够大大减少放大器设计的复杂性、增益进阶、部件数量和电路板数量，最终使放大器成本全面降低。
4 结束语
LDMOS射频功率晶体管在效率、输出功率、可靠性和设计集成的便利性等各方面设定了新的行业基准。该晶体管的操作电压为50V，与双极和MOSFET设备相比，它具有明显的优势，任何其他射频功率设备(包括MOSFET和双极)都无法实现这样的性能。高功率、高增益、高效率、低热阻和高输出失配可存活性都给人留下了深刻印象。随着LDMOS技术和工艺的不断成熟和价格的不断走低，以及双极型晶体管所不可比拟的优势，使用LDMOS固态器件的大功率发射机将成为主流。
［责任编辑：杨玉洁］