GaN步步緊逼，LDMOS路在何方？

在射頻和功率應(yīng)用中，氮化鎵（GaN）技術(shù)正在變得日益盛行。

GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產(chǎn)品包括PA、 LNA、開關(guān)器、 MMIC等，面向基站衛(wèi)星、雷達(dá)等市場(chǎng)；電力電子器件產(chǎn)品包括SBD、常關(guān)型FET、常開型FET、級(jí)聯(lián)FET等產(chǎn)品，面向無線充電、電源開關(guān)、包絡(luò)跟蹤、逆變器、變流器等市場(chǎng)。

而按工藝分，GaN器件則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、Power FET電力電子器件工藝兩大類。

今天，幾乎沒有人會(huì)質(zhì)疑GaN技術(shù)對(duì)射頻/微波產(chǎn)業(yè)的影響。但隨著GaN受到如此多的關(guān)注，傳統(tǒng)高壓應(yīng)用的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）技術(shù)會(huì)情何以堪？LDMOS是否會(huì)被排擠到一邊而無人問津呢？

在回答這個(gè)問題之前，我們先來看一看射頻應(yīng)用的主要工藝技術(shù)。

目前，射頻市場(chǎng)主要有三種工藝：GaAs，基于Si的LDMOS，以及GaN 工藝。GaAs器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，通常低于50W。LDMOS器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。GaN則彌補(bǔ)了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，在體現(xiàn)GaAs高頻性能的同時(shí)，結(jié)合了Si基LDMOS的功率處理能力。

在射頻PA市場(chǎng)，LDMOS PA帶寬會(huì)隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz 的頻率范圍內(nèi)有效，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以達(dá)到其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達(dá) 6~8 W/mm（LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá) 100 萬小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯。

5G帶動(dòng)GaN崛起

傳統(tǒng)上，LDMOS技術(shù)在無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但這種情況是否正在發(fā)生變化？這個(gè)問題的答案是肯定的。

由于5G需要大規(guī)模MIMO和Sub-6GHz部署，需要使用毫米波（mmWave）頻譜。而這將要面對(duì)一系列的挑戰(zhàn)，具體就不在這里贅述了。

GaN技術(shù)可以在sub-6GHz 5G應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，有助于實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率等目標(biāo)。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動(dòng)基站和網(wǎng)絡(luò)OEM部署的PA從使用LDMOS技術(shù)轉(zhuǎn)換到GaN。GaN為5G sub-6GHz大規(guī)模MIMO基站應(yīng)用提供了多種優(yōu)勢(shì)：

1、GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰(zhàn)。

2、GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

3、采用Doherty PA配置的GaN在100 W輸出功率下的平均效率達(dá)到50％~60％，顯著降低了發(fā)射功耗。

4、GaN PA的高功率密度可實(shí)現(xiàn)需要較少印刷電路板（PCB）空間的小尺寸。

5、在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線（QFN）塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

6、GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運(yùn)行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形。

構(gòu)建RF前端（RFFE）以支持這些新的sub-6GHz 5G應(yīng)用將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。RFFE對(duì)系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗至關(guān)重要。復(fù)雜性和更高的頻率范圍推動(dòng)了對(duì)RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發(fā)器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴(yán)格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標(biāo)，以及GaN PA如何幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢？具體包括如下：

1、更高的頻率和更高的帶寬： 5G使用比4G更高的頻率，并且需要更寬的分量載波帶寬（高達(dá)100 MHz）。GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）Doherty PA在這些頻率下實(shí)現(xiàn)比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率（PAE）。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴(kuò)展到非常高的輸出功率。

2、在更高數(shù)據(jù)速率下的高功率效率： GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預(yù)失真和線性化。因此，它更容易用于數(shù)字預(yù)失真（DPD）高效應(yīng)用。GaN能夠在多個(gè)蜂窩頻段上運(yùn)行，幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商部署載波聚合以增加頻譜并創(chuàng)建更大的數(shù)據(jù)管道以增加網(wǎng)絡(luò)容量。

3、最大限度地降低系統(tǒng)功耗：我們?nèi)绾螡M足5G的高數(shù)據(jù)率要求？我們需要更多基礎(chǔ)設(shè)施，例如數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器和小型蜂窩。這意味著網(wǎng)絡(luò)功耗的整體增加，從而推動(dòng)了對(duì)系統(tǒng)效率和整體功率節(jié)省的需求，這似乎很難。同樣，GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。

下圖顯示了一個(gè)示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Doherty PA設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高效率。

新產(chǎn)品方面，2018 年12月， Qorvo發(fā)布了行業(yè)首款28GHz的GaN前端模塊QPF4001， 其在單個(gè) MMIC 中集成了高線性度 LNA、低損耗發(fā)射/接收開關(guān)和高增益、高效率多級(jí)PA。

針對(duì)5G基站架構(gòu)中間隔28 GHz 的相控陣元件，對(duì)緊湊型的5x4毫米氣腔層表貼封裝進(jìn)行了優(yōu)化。據(jù)悉，該模塊采用了高效率的0.15微米GaN-on-SiC技術(shù)。

LDMOS依然有優(yōu)勢(shì)

那么，行業(yè)對(duì)GaN的重視，是否意味著LDMOS不再具有應(yīng)用前景了呢？事實(shí)似乎并非如此，因?yàn)長DMOS仍然可以在其它應(yīng)用中尋找樂園。當(dāng)然，選擇合適的技術(shù)取決于手頭的具體應(yīng)用，而在很多情況下，LDMOS仍然是可行的方案。

以雷達(dá)應(yīng)用為例，在選擇工藝時(shí)必須考慮不同晶體管技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。而對(duì)于大功率應(yīng)用，關(guān)鍵是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求來決定了使用的工藝技術(shù)，而LDMOS就是這些技術(shù)之一。

高功率放大器（HPA）通常用于國防、航空航天和氣象雷達(dá)等，從早期的分立或集成RF功率晶體管開始，一直到現(xiàn)在，已經(jīng)有好幾種有源器件半導(dǎo)體技術(shù)用于放大脈沖和連續(xù)波（CW）信號(hào)，從HF / VHF / UHF到L-，S-，C-和X-波段的頻率。

而用于RF /微波HPA的晶體管包括傳統(tǒng)的硅雙極和硅VDMOS等功率晶體管，以及更新近的 LDMOS和氮化鎵等技術(shù)，另外還有碳化硅（SiC或GaN-on-SiC）高電子遷移率晶體管（HEMT）。根據(jù)頻率、帶寬和其他要求，每種晶體管技術(shù)都可以在輸出功率、增益和性能方面提供各自的性能優(yōu)勢(shì)。

其中，LDMOS是一種比雙極晶體管更新的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高線性通信以及寬帶CW放大器，也是L波段脈沖應(yīng)用的絕佳選擇。

LDMOS非常適合長脈沖和高占空比應(yīng)用，因?yàn)樗哂蟹浅５偷拿客咛責(zé)嶙?，這也提升了其出色的VSWR耐受特性。然而，與雙極和GaN HEMT功率管相比，LDMOS的最大不足之處就是功率效率較差。

但是，與LDMOS相比，GaN HEMT的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是：它是耗盡型器件，這意味著它不僅需要電壓供應(yīng)，還必須在漏極電壓之前施加?xùn)艠O電壓。

選擇正確的晶體管技術(shù)

應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，例如波形類型、頻率、帶寬和輸出功率水平等來選定功率放大器所需的類型。

如在S波段及以上，SIC基的GaN HEMT真的是唯一選擇，而介于兩者之間的話，主要挑戰(zhàn)就是平衡成本與性能，這方面做起來很難。下圖總結(jié)了三種晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在雷達(dá)應(yīng)用中選擇時(shí)的考量因素。

圖：雷達(dá)應(yīng)用中射頻功率晶體管的比較及選擇

雖然GaN來勢(shì)洶洶，但LDMOS仍然有強(qiáng)勁的應(yīng)用需求，而相應(yīng)的新產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)，如恩智浦的MRFX系列高功率產(chǎn)品就是其中之一，MRFX系列基于65-LDMOS技術(shù)，該公司稱該技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語

LDMOS要“死”了嗎？答案很響亮：“不”。雖然受到了以GaN為代表的新技術(shù)的挑戰(zhàn)與沖擊，使得LDMOS可能沒有它曾經(jīng)擁有的輝煌了，但在可預(yù)見的未來，該技術(shù)仍然會(huì)存活下去，而且還會(huì)活得很好。