如何才能提高RF功率晶體管的耐用性

　　目前制造的大功率射頻晶體管比以往任何時候都更堅實耐用。針對特高耐用性設(shè)計的器件可以承受嚴重的失配，即使在滿輸出電平時也是如此?，F(xiàn)在多家制造商可提供大功率硅橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）晶體管，這種產(chǎn)品能夠承受相當(dāng)于65.0:1的電壓駐波比（VSWR）的負載失配。但這些晶體管真的無懈可擊嗎？這種耐用性適用于哪些類型的應(yīng)用？本報告將介紹一些最新的耐用型大功率LDMOS晶體管以及它們的電氣特性，并通過比較測試過程來判斷它們的耐用水平。眾所周知，像硅雙極晶體管等一些晶體管能夠在其中一些半導(dǎo)體單元因短路或負載失配等原因損壞時繼續(xù)工作。因此，將一個器件定義為“耐用晶體管”可能沒有清晰的界限。對硅LDMOS晶體管的耐用性測試通常是指器件能夠在高輸出功率電平下承受嚴苛的負載失配狀況而不降低性能或造成器件故障。當(dāng)晶體管工作在負載失配狀態(tài)下時，它的輸出功率有很大一部分會被反射進器件，此時功率必須在晶體管中耗散掉。但在比較不同耐用性的晶體管時，重要的是檢查不同器件制造商達到其耐用性結(jié)果的條件，因為不同制造商的測試條件可能有很大變化。晶體管耐用性測試通常涉及在測試過程中可能變也可能不變的三個電氣參數(shù)：輸入功率，施加到待測晶體管的直流偏置以及提供給待測器件的負載阻抗。在有些情況下，晶體管制造商可能使用固定（標稱）值的輸入功率和器件偏置，并改變負載失配阻抗。雖然這樣的測試表明器件可以在這些特定條件下正常工作，但并不能深入了解器件在面臨現(xiàn)實條件時會發(fā)生什么情況，因為在現(xiàn)實條件下所有三個參數(shù)都可能同時發(fā)生變化。對某些器件來說，耐用性測試包括在正常工作條件下建立基準性能水平，將器件置于應(yīng)力條件下（如嚴重的負載失配）工作然后將其恢復(fù)到基準工作條件下，以測試性能下降的水平。在第二次基準測試中如果輸出功率或直流參數(shù)下降幅度達20%以上，通常就意味著器件的失效。 VSWR一般作為品質(zhì)因數(shù)用來表示負載失配的程度。例如，當(dāng)負載失配程度相當(dāng)于5.0:1的VSWR時，晶體管約一半的輸出功率將被反射回器件。當(dāng)負載失配程度達到20.0:1的VSWR時，晶體管輸出功率的約80%將被反射回器件，并且必須以熱量形式消散掉。這些VSWR值處于多種不同的失配水平之間，用于表征射頻功率晶體管為“耐用的”器件。為理解認證一款射頻功率晶體管為耐用器件時有何需求，比較一些例子可能會有幫助。耐用性要求通常由應(yīng)用來定義。對于長距離的雷達系統(tǒng)來說，比如UHF氣候雷達，天線上結(jié)冰可能引起嚴重的負載失配狀態(tài)，其負載VSWR可達10.0:1或更高。例如，意法半導(dǎo)體公司（ST）提供的多款N溝道增強型橫向MOSFET可工作在VSWR達20.0:1的負載嚴重失配條件下。型號為 STEVAL-TDR016V1的器件是為頻率從155MHz至165MHz的VHF航海頻段設(shè)計的，可在+20VDC電源下提供30W的連續(xù)波輸出功率。

? ? ? ?該器件能夠提供14.7dB的功率增益和至少60%的效率。意法半導(dǎo)體還提供多款更高頻率的“耐用型”晶體管，這些晶體管可以處理VSWR為20.0:1甚至更高的負載失配情況，不過輸出功率電平會低許多。對于目前市場上的幾款器件來說，20.0:1VSWR額定值甚至可能有些保守了。例如，恩智浦半導(dǎo)體公司（NXP）至少有一款大功率器件可以承受VSWR為65.0:1甚至更高的負載失配，而飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale）正在交付的一系列器件也能在VSWR 為65.0:1或更高的負載失配條件下正常工作。這兩種器件都是硅LDMOS晶體管。 NXP在去年于美國馬里蘭州巴爾的摩市舉行的IEEEMTT-S國際微波大會（IMS2011）上就發(fā)布了型號為BLF578XR的首款耐用型晶體管。ClassABmodelBLF578XR是該公司的流行型號BLF578晶體管的耐用版本，適用于廣播和ISM頻段應(yīng)用，并可以匹配從高頻至500MHz的應(yīng)用。在100μs脈寬和20%脈沖占空比時，工作在225MHz的BLF578XR可以提供1400W的峰值脈沖輸出功率。該器件在這些條件下還能達到24dB的功率增益和71%的典型漏極效率，并具有集成的靜電放電（ESD）保護功能。另外，BLF578XR在108MHz、連續(xù)波狀態(tài)下可提供1200W的額定輸出功率。為證明BLF578XR是“耐用性”晶體管，將其工作頻率調(diào)整到225MHz，所有相位的負載VSWR等于65.0:1，漏-源極電壓設(shè)置為+50VDC，測得的靜態(tài)漏極電流為40mA，進入負載的脈沖式輸出功率為1200W。顯然，除了半導(dǎo)體裸片的功能外，封裝對于允許該器件在如此嚴重失配條件下工作也起著重要作用。該產(chǎn)品采用安裝凸緣的陶瓷封裝，在+125℃時從結(jié)點到外殼的熱阻典型值為0.14K/W，在+125℃時從結(jié)點到外殼的瞬時熱阻典型值為0.04K/W，因此有助于防止在嚴重失配條件下因反射的輸出功率而導(dǎo)致的熱量堆積。