2008年射頻功率晶體管取得明顯進(jìn)展，以硅材料為主的雙極和CMOS工藝都有突破性進(jìn)展，特別是應(yīng)用在L波段的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸出峰值功率1000W的集成電路就有多種型號(hào)可供選擇，為構(gòu)建雷達(dá)、航空電子應(yīng)用的KW級(jí)固體放大器提供方便。而在十年前，半導(dǎo)體業(yè)只能供應(yīng)峰值功率100W的射頻晶體管，為了獲得1000W的峰值功率，末級(jí)放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)需要采用功率分配器，由10個(gè)功率晶體管構(gòu)成5組獨(dú)立的推挽電路，再經(jīng)功率合成器合成額定的輸出功率。由此可知，相應(yīng)的供電電源、電路板的占用面積、散熱等問(wèn)題都有一定難題，整個(gè)輸出模塊的成本隨之增加。設(shè)備的可靠性卻不高，因?yàn)槟┘?jí)功率放大器的器件、元件數(shù)的增加，導(dǎo)致故障率變壞?？偟膩?lái)說(shuō)，峰值KW級(jí)的射頻固體放大器的性能價(jià)格比還有待提高。

進(jìn)入2000年后，集成電路的材料、工藝、設(shè)計(jì)、測(cè)量、封裝各方面出現(xiàn)許多創(chuàng)新，例如材料方面Si的晶圓從150mm擴(kuò)大到800mm，單位缺陷亦隨著降低;工藝方面的離子注入、擴(kuò)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(shè)計(jì)自動(dòng)化覆蓋從生產(chǎn)鏈的前段到后段;測(cè)量手段更加完善，電學(xué)參數(shù)可在晶圓級(jí)上實(shí)施;多芯片三維互連封裝代替晶圓級(jí)顆片互連或多芯片電路板級(jí)互連等等，不但促進(jìn)集成電路的發(fā)展，對(duì)射頻功率晶體管的提高同樣有效。

近年來(lái)功率晶體管參數(shù)測(cè)量的進(jìn)展具有重要意義，功率晶體管往往要在非線性狀態(tài)下工作，過(guò)去只有顯示小功率狀態(tài)下的特性曲線測(cè)試儀，只有測(cè)量線性狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和功率計(jì)，而無(wú)法獲得功率晶體管在非線性工作條件下的直流參數(shù)和交流參數(shù)。結(jié)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(yīng)用和發(fā)展。眾所周知，高頻晶體管在非線性工作狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)的重要測(cè)量?jī)x器陸續(xù)推出，解決KW級(jí)的射頻/微波晶體管建模難點(diǎn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化，提高高頻晶體管的性能等問(wèn)題亦迎刃而解。此外，高頻晶體管大部分在封裝內(nèi)部或芯片上設(shè)置輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)，極大地簡(jiǎn)化外電路設(shè)計(jì)，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(dòng)，現(xiàn)今射頻功率晶體管已進(jìn)入KW級(jí)峰值的新階段。

雙極型射頻功率晶體管

在當(dāng)前的射頻功率晶體管領(lǐng)域內(nèi)，傳統(tǒng)的Si襯底同質(zhì)雙極器件，以及性能更好的GaAs襯底異質(zhì)結(jié)雙極器件都有大量產(chǎn)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(yīng)亦較低。隨著GaAs材料的出現(xiàn)，由于異質(zhì)結(jié)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(yōu)勢(shì)，但成本亦相應(yīng)較高。在射頻功率放大器應(yīng)用中，Si和GaAs兩種材料各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，近年來(lái)兩者都有創(chuàng)新，傳統(tǒng)材料會(huì)重新挖潛以滿足下一代產(chǎn)品的需要，新型材料會(huì)不斷革新。

Si材料和GaAs材料在場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面取得比Si雙極晶體管更大的進(jìn)展，但Si雙極晶體管仍然有不錯(cuò)的表現(xiàn)。2008年美國(guó)Microsemi公司推出TAN500的Si雙極晶體管，在960MHz至1215MHz頻帶內(nèi)產(chǎn)生500W的脈沖功率，主要針對(duì)TACAN(塔康)戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。器件用+50V電源供電，在C類工作狀態(tài)下由10?s脈沖調(diào)制的70W信號(hào)驅(qū)動(dòng)，獲得500W的峰值功率輸出，功率增益最小10dB，集電極效率達(dá)到40%。

Si雙極射頻功率放大器末級(jí)采用共基極電路連接，器件內(nèi)部布線由Au的薄膜金屬化形成，基區(qū)的外延擴(kuò)散和發(fā)射極的鎮(zhèn)流擴(kuò)散改善了器件的放大性能和提高電路的穩(wěn)定，器件具有很高的平均故障率。器件的發(fā)射極輸入和集電極輸出預(yù)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(jí)功率放大器增加輸出功率提供良好的基礎(chǔ)。TAN500 Si雙極晶體管的最大額定值如下：功率耗散Pd在25℃環(huán)境溫度和脈沖工作狀態(tài)下是2500W;集電極擊穿電壓BVc是65V;發(fā)射極擊穿電壓BVe是3V;集電極電流50A;存儲(chǔ)溫度是-65至200℃;工作結(jié)溫+200℃。TAN500在25℃環(huán)境溫度下的工作特性如表1所示。

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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(jiàn)，在90MHz、1090MHz和1215MHz頻率下，輸入功率/輸出功率有不錯(cuò)的線性關(guān)系，而且在額定峰值輸出功率500W下，集電極效率超過(guò)40%。對(duì)于Si雙極晶體管射頻末極功率放大器來(lái)說(shuō)，TAN500的整體指標(biāo)處在領(lǐng)先水平。目前TAN系列已有TAN300、TAN350和TA500等多種型號(hào)，分別是輸出功率300W、350W和500W的同族產(chǎn)品，而且1000W以上的型號(hào)將很快推出。實(shí)際上，Microsem公司在2005年生產(chǎn)的MDS系列Si雙極射頻功率晶體管中，MDS1100是用于航空電子設(shè)備末級(jí)功放的器件。它在+50V電源和1030MHz下可提供超過(guò)1000W的峰值功率輸出，在20℃環(huán)境溫度下最大功耗是8750W，最高工作溫度可達(dá)+200℃，最低集電極效率是45%。TAN系列晶體管的設(shè)計(jì)理念與MDS系列的完全相同，但是對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)到特性參數(shù)最佳的目的。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的雙極功率晶體管，經(jīng)過(guò)革新挖潛，能夠以新的面目出現(xiàn)，用來(lái)滿足新應(yīng)用的需求。由于Si雙極功率晶體管匹配性較好，并聯(lián)應(yīng)用可獲得更大峰值輸出，TAN500雙管并聯(lián)即可產(chǎn)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(jìn)，限于篇幅，在此從略。

MOS場(chǎng)效應(yīng)射頻功率晶體管

自70年代開(kāi)始，Si的CMOS集成電路一直是CPU、DSP和存儲(chǔ)器的核心工藝，按摩爾定律不斷發(fā)展，依靠縮小幾何尺寸來(lái)提高性能價(jià)格比。相對(duì)來(lái)說(shuō)，Si CMOS工藝應(yīng)用到高頻功率器件的困難較多，SiMOS場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)功率晶體管沿著橫向擴(kuò)大幾何尺寸，稱為橫向擴(kuò)散MOS晶體管(LDMOS)，90年代出現(xiàn)沿著縱向布局的縱向擴(kuò)散MOS晶體管(VDMOS)，近年兩種不同設(shè)計(jì)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(duì)L波段的雷達(dá)應(yīng)用，峰值功率330W，它的結(jié)構(gòu)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。

表2 MRF6V14300H SiMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作特性

而且，借助MRF6V14300H的雙管并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)峰值功率600W的輸出功率。飛思卡爾公司提供與傳統(tǒng)的橫向擴(kuò)散的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管不同，縱向擴(kuò)散的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管向垂直布局，更適合于射頻功率放大的應(yīng)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(jīng)過(guò)約100?m厚的Si材料到達(dá)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(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸黾?，極間電容減小，導(dǎo)通電阻降低，縱向擴(kuò)散布局使得SiMOS場(chǎng)效應(yīng)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(kuò)散布局來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻功率的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是HVVi半導(dǎo)體公司，它的HVVFET高壓垂直場(chǎng)效晶體管系列產(chǎn)品在2008年四月推出，目標(biāo)是針對(duì)要求具有高的峰值/平均功率比的TACAN導(dǎo)航雷達(dá)、TCAS交通防撞系統(tǒng)、IFF敵我識(shí)別機(jī)、Mode-S詢問(wèn)機(jī)，以及3G無(wú)線移動(dòng)通信發(fā)射機(jī)，如WCDMA、TD-SCDMA和光纖OFDM系統(tǒng)等的緊迫應(yīng)用。

目前，HVVi公司已生產(chǎn)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(hào)。這些高壓垂直場(chǎng)效應(yīng)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(dá)到美國(guó)軍標(biāo)的HV400封裝標(biāo)準(zhǔn)。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(tài)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(jù)表1、2、3的對(duì)比可見(jiàn)，除輸出功率一項(xiàng)之外，SiMOS的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作特性顯然優(yōu)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(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖6所示。

表3 HVV1011-300Si高壓垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作特性

HVVi公司還提供HVV系列器件的完整原型機(jī)開(kāi)發(fā)套件和樣管，以及測(cè)量器件參數(shù)的PCB布線圖，雙管并聯(lián)運(yùn)行等有用數(shù)據(jù)，應(yīng)用手冊(cè)等資料。

圖1 TAN500 Si雙極晶體管的輸入/輸出特性

圖2 TAN500 Si雙極晶體管的效率特性

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圖3 MRF6V14300H Si場(chǎng)效應(yīng)管的增益、效率和回波損耗特性

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圖4 LDMOS場(chǎng)效應(yīng)管和VDOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖