LDMOS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用優(yōu)勢

時間：2012-06-04 13:45:12

關(guān)鍵字： LDMOS 線性 MOS管

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[導(dǎo)讀]LDMOS( Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)是為900MHz蜂窩電話技術(shù)開發(fā)的，蜂窩通信市場的不斷增長保證了LDMOS晶體管的應(yīng)用，也使得LDMOS的技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，因此

LDMOS( Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)是為900MHz蜂窩電話技術(shù)開發(fā)的，蜂窩通信市場的不斷增長保證了LDMOS晶體管的應(yīng)用，也使得LDMOS的技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，因此今后在多數(shù)情況下它將取代雙極型晶體管技術(shù)。與雙極型晶體管相比,LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可達(dá)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(dá)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(jīng)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(yùn)行而沒有破壞LDMOS設(shè)備;它較能承受輸入信號的過激勵和適合發(fā)射數(shù)字信號，因?yàn)樗懈呒壍乃矔r峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波數(shù)字信號放大且失真較小。LDMOS管有一個低且無變化的互調(diào)電平到飽和區(qū)，不像雙極型晶體管那樣互調(diào)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(zhí)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(shù)是負(fù)數(shù)，因此可以防止熱耗散的影響。這種溫度穩(wěn)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(bǔ)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(jié)構(gòu)如圖1所示，LDMOS是一種雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項(xiàng)技術(shù)是在相同的源/漏區(qū)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(jìn)行一個高溫推進(jìn)過程，由于硼擴(kuò)散比砷快，所以在柵極邊界下會沿著橫向擴(kuò)散更遠(yuǎn)(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(kuò)散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓，在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個漂移區(qū)。LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS 接高壓時，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴(kuò)展到漂移區(qū)的場氧上面，充當(dāng)場極板，會弱化漂移區(qū)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(guān)。要使場極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計(jì)好SiO2層的厚度，二要設(shè)計(jì)好場極板的長度。

LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝。與標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(fù)溫效應(yīng)，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(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強(qiáng)了負(fù)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(diǎn)(大信號運(yùn)用的飽和區(qū)段)下彎較緩，所以動態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)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(diào)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(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

對LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過增加漂移區(qū)的長度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長度的折中選擇。因?yàn)槟蛪汉蛯?dǎo)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(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重?fù)诫s外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)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(dǎo)通電阻。

LDMOS在以下方面具有出眾的性能：

1.熱穩(wěn)定性;2.頻率穩(wěn)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(shù)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(yīng)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(yīng)用于 HF、VHF 與 UHF 廣播傳輸器以及微波雷達(dá)與導(dǎo)航系統(tǒng)等等。凌駕于所有 RF 功率技術(shù)，側(cè)面擴(kuò)散 MOS (LDMOS, Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 晶體管技術(shù)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(wù)帶來更高的數(shù)據(jù)傳輸率。此外，卓越的效能也隨著效率以及功率密度持續(xù)不斷地提升。過去四年來，飛利浦第二代 0.8 微米 LDMOS 技術(shù)在 GSM、EDGE 與 CDMA 系統(tǒng)上擁有耀眼的效能與穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，現(xiàn)階段為了滿足多載波功率放大器 (MCPA) 與 W-CDMA 標(biāo)準(zhǔn)的需求，還提供了更新的 LDMOS 技術(shù)。

飛利浦第三代 0.8 微米超低失真 LDMOS 技術(shù)采用非統(tǒng)一參雜 (doping) 方式，稱之為分散 Vt 概念，與傳統(tǒng)的 LDMOS 比較，補(bǔ)償線性提升了 5 到 8dB，使得這項(xiàng)技術(shù)特別適合應(yīng)用于 3G 基站內(nèi)的 MCPA 驅(qū)動器，同時比上一代 LDMOS 產(chǎn)品的功率增益要高 2 dB。

飛利浦第四代 LDMOS 技術(shù)將效能進(jìn)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(shù)提高了 2 dB。

飛利浦的第五代 LDMOS 技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，同時提供所有移動電話標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢，例如 0.4 微米工藝技術(shù)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(yīng)也可以使用最新的數(shù)字預(yù)失真 (DPD, Pre-Distortion) 系統(tǒng)，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(shù)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(jié)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(dá) 150W CW 運(yùn)作的器件。

我們的第五代

LDMOS 采用專利的四層金屬堆棧來進(jìn)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(tǒng)的 LDMOS 在相同 MTTF 下高了 25°C 的接點(diǎn)溫度運(yùn)作，如果使用于 160°C 的標(biāo)準(zhǔn)晶體管接點(diǎn)溫度上，這項(xiàng)技術(shù)比傳統(tǒng) W-CDMA 運(yùn)作應(yīng)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(shù)更進(jìn)一步優(yōu)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(gòu)將著重于如何讓 LDMOS 為新型態(tài)晶體管運(yùn)作優(yōu)化，并強(qiáng)化如 Doherty 等概念。

運(yùn)作面：

絕佳的穩(wěn)定性，由于負(fù)汲極電流溫度常數(shù)，所以不受熱散失的影響

比雙載子更能忍受較高的負(fù)載未匹配現(xiàn)象 (VSWR)，提高現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的可靠度

卓越的射頻穩(wěn)定度，在閘極與汲極間內(nèi)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(dāng)好的可靠度

LDMOS 的優(yōu)勢

技術(shù)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(yù)校正需求降到最低

優(yōu)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(shù)據(jù)錯誤率的高 3G 數(shù)據(jù)率