LDMOS简介及其技术详解 - 全文

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。

运作面：

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）。