晶體管射頻放大器參數測量的進展和意義 - 全文

2008年射頻功率晶體管取得明顯進展，以硅材料為主的雙極和CMOS工藝都有突破性進展，特別是應用在L波段的場效應晶體管，輸出峰值功率1000W的集成電路就有多種型號可供選擇，為構建雷達、航空電子應用的KW級固體放大器提供方便。而在十年前，半導體業只能供應峰值功率100W的射頻晶體管，為了獲得1000W的峰值功率，末級放大器的驅動級需要采用功率分配器，由10個功率晶體管構成5組獨立的推挽電路，再經功率合成器合成額定的輸出功率。由此可知，相應的供電電源、電路板的占用面積、散熱等問題都有一定難題，整個輸出模塊的成本隨之增加。設備的可靠性卻不高，因為末級功率放大器的器件、元件數的增加，導致故障率變壞。總的來說，峰值KW級的射頻固體放大器的性能價格比還有待提高。

進入2000年后，集成電路的材料、工藝、設計、測量、封裝各方面出現許多創新，例如材料方面Si的晶圓從150mm擴大到800mm，單位缺陷亦隨著降低;工藝方面的離子注入、擴散外延、金屬布線的可靠性提高，使器件線寬從1?m縮小到60nm以下，設計自動化覆蓋從生產鏈的前段到后段;測量手段更加完善，電學參數可在晶圓級上實施;多芯片三維互連封裝代替晶圓級顆片互連或多芯片電路板級互連等等，不但促進集成電路的發展，對射頻功率晶體管的提高同樣有效。

近年來功率晶體管參數測量的進展具有重要意義，功率晶體管往往要在非線性狀態下工作，過去只有顯示小功率狀態下的特性曲線測試儀，只有測量線性狀態下的網絡分析儀、頻譜分析儀和功率計，而無法獲得功率晶體管在非線性工作條件下的直流參數和交流參數。結果影響到不能建立完整的高頻放大器模型，妨礙高頻功率晶體管的應用和發展。眾所周知，高頻晶體管在非線性工作狀態下的各項參數的重要測量儀器陸續推出，解決KW級的射頻/微波晶體管建模難點，設計自動化，提高高頻晶體管的性能等問題亦迎刃而解。此外，高頻晶體管大部分在封裝內部或芯片上設置輸入端和輸出端的匹配網絡，極大地簡化外電路設計，提高頻率、效率、功率都有幫助。加上集成電路的其它革新的推動，現今射頻功率晶體管已進入KW級峰值的新階段。

雙極型射頻功率晶體管

在當前的射頻功率晶體管領域內，傳統的Si襯底同質雙極器件，以及性能更好的GaAs襯底異質結雙極器件都有大量產品可供選擇。Si基雙極器件的工藝最成熟，成本較低，但頻率響應亦較低。隨著GaAs材料的出現，由于異質結的電子/空穴遷移率比Si的遷移率高得多，使得GaAs雙極晶體管具有頻率性能的優勢，但成本亦相應較高。在射頻功率放大器應用中，Si和GaAs兩種材料各有優點和缺點，近年來兩者都有創新，傳統材料會重新挖潛以滿足下一代產品的需要，新型材料會不斷革新。

Si材料和GaAs材料在場效應晶體管方面取得比Si雙極晶體管更大的進展，但Si雙極晶體管仍然有不錯的表現。2008年美國Microsemi公司推出TAN500的Si雙極晶體管，在960MHz至1215MHz頻帶內產生500W的脈沖功率，主要針對TACAN(塔康)戰術空中導航系統的應用。器件用+50V電源供電，在C類工作狀態下由10?s脈沖調制的70W信號驅動，獲得500W的峰值功率輸出，功率增益最小10dB，集電極效率達到40%。

Si雙極射頻功率放大器末級采用共基極電路連接，器件內部布線由Au的薄膜金屬化形成，基區的外延擴散和發射極的鎮流擴散改善了器件的放大性能和提高電路的穩定，器件具有很高的平均故障率。器件的發射極輸入和集電極輸出預置了寬帶匹配電路，散熱體與基極之間的熱阻很低，為射頻末級功率放大器增加輸出功率提供良好的基礎。TAN500 Si雙極晶體管的最大額定值如下：功率耗散Pd在25℃環境溫度和脈沖工作狀態下是2500W;集電極擊穿電壓BVc是65V;發射極擊穿電壓BVe是3V;集電極電流50A;存儲溫度是-65至200℃;工作結溫+200℃。TAN500在25℃環境溫度下的工作特性如表1所示。

輸出峰值功率1kW的晶體管射頻放大器

表1 TAN500 Si雙極晶體管的工作特性

TAN500的典型輸入/輸出特性曲線和集電極效率曲線如圖1和圖2所示。從圖中可見，在90MHz、1090MHz和1215MHz頻率下，輸入功率/輸出功率有不錯的線性關系，而且在額定峰值輸出功率500W下，集電極效率超過40%。對于Si雙極晶體管射頻末極功率放大器來說，TAN500的整體指標處在領先水平。目前TAN系列已有TAN300、TAN350和TA500等多種型號，分別是輸出功率300W、350W和500W的同族產品，而且1000W以上的型號將很快推出。實際上，Microsem公司在2005年生產的MDS系列Si雙極射頻功率晶體管中，MDS1100是用于航空電子設備末級功放的器件。它在+50V電源和1030MHz下可提供超過1000W的峰值功率輸出，在20℃環境溫度下最大功耗是8750W，最高工作溫度可達+200℃，最低集電極效率是45%。TAN系列晶體管的設計理念與MDS系列的完全相同，但是對設計參數進一步優化，達到特性參數最佳的目的。

由此可見，傳統的雙極功率晶體管，經過革新挖潛，能夠以新的面目出現，用來滿足新應用的需求。由于Si雙極功率晶體管匹配性較好，并聯應用可獲得更大峰值輸出，TAN500雙管并聯即可產生1000W的峰值功率。除Si雙極之外，GaAs雙極射頻功率晶體管同樣取得不少改進，限于篇幅，在此從略。

MOS場效應射頻功率晶體管

自70年代開始，Si的CMOS集成電路一直是CPU、DSP和存儲器的核心工藝，按摩爾定律不斷發展，依靠縮小幾何尺寸來提高性能價格比。相對來說，Si CMOS工藝應用到高頻功率器件的困難較多，SiMOS場效應晶體管需要大幾何尺寸，比增加功率和降低熱耗，從而使頻率特性不容易提高。早期的SiMOS場效應功率晶體管沿著橫向擴大幾何尺寸，稱為橫向擴散MOS晶體管(LDMOS)，90年代出現沿著縱向布局的縱向擴散MOS晶體管(VDMOS)，近年兩種不同設計的MOS高頻功率晶體管都取得碩果。

2008年飛思卡爾(Freescale)公司提供的MRF6系列針對L波段的雷達應用，峰值功率330W，它的結構如圖4a所示。例如MRF6V14300H的功率增益Gps、漏極效率nD和回波損耗IRL的頻率特性如圖3所示，工作特性如表2所示。

輸出峰值功率1kW的晶體管射頻放大器

表2 MRF6V14300H SiMOS場效應晶體管的工作特性

而且，借助MRF6V14300H的雙管并聯可實現峰值功率600W的輸出功率。飛思卡爾公司提供與傳統的橫向擴散的MOS場效應晶體管不同，縱向擴散的MOS場效應晶體管向垂直布局，更適合于射頻功率放大的應用。如圖4b所示，前者的源極、柵極和漏極是在Si襯底上方橫向布局，為了獲得良好散熱，源極和漏極都要經過約100?m厚的Si材料到達散熱體，而后者的漏極處在Si襯底上面，源極和柵極處在Si襯底的底部，源極直接與散熱體接觸，漏極與散熱體的距離縮短至10?m。結構的改變導致擊穿電壓增加，極間電容減小，導通電阻降低，縱向擴散布局使得SiMOS場效應晶體管的頻率、峰值功率和功耗都有所提高。

例如利用縱向擴散布局來實現射頻功率的MOS場效應晶體管是HVVi半導體公司，它的HVVFET高壓垂直場效晶體管系列產品在2008年四月推出，目標是針對要求具有高的峰值/平均功率比的TACAN導航雷達、TCAS交通防撞系統、IFF敵我識別機、Mode-S詢問機，以及3G無線移動通信發射機，如WCDMA、TD-SCDMA和光纖OFDM系統等的緊迫應用。

目前，HVVi公司已生產的HVV系列，包括三種按頻率和輸出功率劃分的器件，它們分別是HVV-1011、HVV-1012、HVV-1214，覆蓋L波段的1030-1090、1025-1150、1200-1400MHz頻段，和25、30、50、100、200、300W輸出功率的序號。這些高壓垂直場效應晶體管全部采用+48V的漏極電壓，功率增益15至20dB，效率48至49%，達到美國軍標的HV400封裝標準。以HVV1011-300為例，它的工作頻率1030至1090MHz。峰值功率300W，工作電壓+48V，工作電流100mA。在共源極AB類工作狀態下具有如圖5a和圖5b所示的輸出/輸入和增益/效率特性曲線，以及表3所示的工作特性。根據表1、2、3的對比可見，除輸出功率一項之外，SiMOS的場效應晶體管的工作特性顯然優于Si雙極型晶體管，而且HVVi公司即將推出輸出功率更高的器件。一種HVV1011-300實驗模塊如圖6所示。

輸出峰值功率1kW的晶體管射頻放大器