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(shí)候都更堅(jiān)實(shí)耐用。針對特高耐用性設(shè)計(jì)的器件可以承受嚴(yán)重的失配，即使在滿輸出電平時(shí)也是如此?，F(xiàn)在多家制造商可提供大功率硅橫向擴(kuò)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(fù)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(bào)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(fù)載失配等原因損壞時(shí)繼續(xù)工作。因此，將一個(gè)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(yán)苛的負(fù)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(fù)載失配狀態(tài)下時(shí)，它的輸出功率有很大一部分會(huì)被反射進(jìn)器件，此時(shí)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(shí)，重要的是檢查不同器件制造商達(dá)到其耐用性結(jié)果的條件，因?yàn)椴煌圃焐痰臏y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(gè)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(fù)載阻抗。在有些情況下，晶體管制造商可能使用固定（標(biāo)稱）值的輸入功率和器件偏置，并改變負(fù)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(shí)條件時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)條件下所有三個(gè)參數(shù)都可能同時(shí)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(zhǔn)性能水平，將器件置于應(yīng)力條件下（如嚴(yán)重的負(fù)載失配）工作然后將其恢復(fù)到基準(zhǔn)工作條件下，以測試性能下降的水平。在第二次基準(zhǔn)測試中如果輸出功率或直流參數(shù)下降幅度達(dá)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(fù)載失配的程度。例如，當(dāng)負(fù)載失配程度相當(dāng)于5.0:1的VSWR時(shí)，晶體管約一半的輸出功率將被反射回器件。當(dāng)負(fù)載失配程度達(dá)到20.0:1的VSWR時(shí)，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(rèn)證一款射頻功率晶體管為耐用器件時(shí)有何需求，比較一些例子可能會(huì)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(dá)系統(tǒng)來說，比如UHF氣候雷達(dá)，天線上結(jié)冰可能引起嚴(yán)重的負(fù)載失配狀態(tài)，其負(fù)載VSWR可達(dá)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(qiáng)型橫向MOSFET可工作在VSWR達(dá)20.0:1的負(fù)載嚴(yán)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(jì)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(fù)載失配情況，不過輸出功率電平會(huì)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(fù)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(fù)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(huì)（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(shí)，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(dá)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(hù)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(fù)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(jìn)入負(fù)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(yán)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(shí)從結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻典型值為0.14K/W，在+125℃時(shí)從結(jié)點(diǎn)到外殼的瞬時(shí)熱阻典型值為0.04K/W，因此有助于防止在嚴(yán)重失配條件下因反射的輸出功率而導(dǎo)致的熱量堆積。