驗證射頻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)候都更堅實(shí)耐用。針對特高耐用性設計的器件可以承受?chē)乐氐氖?，即使在滿(mǎn)輸出電平時(shí)也是如此?，F在多家制造商可提供大功率硅橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管，這種產(chǎn)品能夠承受相當于65.0:1的電壓駐波比(VSWR)的負載失配。但這些晶體管真的無(wú)懈可擊嗎？這種耐用性適用于哪些類(lèi)型的應用？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(guò)比較測試過(guò)程來(lái)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體單元因短路或負載失配等原因損壞時(shí)繼續工作。因此，將一個(gè)器件定義為“耐用晶體管”可能沒(méi)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?chē)揽恋呢撦d失配狀況而不降低性能或造成器件故障。當晶體管工作在負載失配狀態(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到其耐用性結果的條件，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(guò)程中可能變也可能不變的三個(gè)電氣參數：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(chēng))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實(shí)條件時(shí)會(huì )發(fā)生什么情況，因為在現實(shí)條件下所有三個(gè)參數都可能同時(shí)發(fā)生變化。

對某些器件來(lái)說(shuō)，耐用性測試包括在正常工作條件下建立基準性能水平，將器件置于應力條件下(如嚴重的負載失配)工作然后將其恢復到基準工作條件下，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下降幅度達20%以上，通常就意味著(zhù)器件的失效。

VSWR一般作為品質(zhì)因數用來(lái)表示負載失配的程度。例如，當負載失配程度相當于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。當負載失配程度達到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用來(lái)定義。對于長(cháng)距離的雷達系統來(lái)說(shuō)，比如UHF氣候雷達，天線(xiàn)上結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航海頻段設計的，可在+20V DC電源下提供30W的連續波輸出功率。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(guò)輸出功率電平會(huì )低許多。

對于目前市場(chǎng)上的幾款器件來(lái)說(shuō)，20.0:1 VSWR額定值甚至可能有些保守了。例如，恩智浦半導體公司(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IEEE MTT-S國際微波大會(huì )(IMS 2011)上就發(fā)布了型號為BLF578XR的首款耐用型晶體管。Class AB model BLF578XR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頻段應用，并可以匹配從高頻至500MHz的應用。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，將其工作頻率調整到225MHz，所有相位的負載VSWR等于65.0:1，漏-源極電壓設置為+50VDC，測得的靜態(tài)漏極電流為40mA，進(jìn)入負載的脈沖式輸出功率為1200W。顯然，除了半導體裸片的功能外，封裝對于允許該器件在如此嚴重失配條件下工作也起著(zhù)重要作用。該產(chǎn)品采用安裝凸緣的陶瓷封裝，在+125℃時(shí)從結點(diǎn)到外殼的熱阻典型值為0.14K/W，在+125℃時(shí)從結點(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重失配條件下因反射的輸出功率而導致的熱量堆積。

經(jīng)過(guò)認證的耐用性

飛思卡爾半導體目前自稱(chēng)擁有最多種類(lèi)的“耐用型”硅LDMOS射頻功率晶體管，該公司在認證其具有相同脈沖和連續波輸出功率額定值器件時(shí)的做法非常獨特，所有器件都要通過(guò)負載失配程度相當于 65.0:1 的VSWR或更高條件下的測試，通過(guò)測試的器件不能有損壞或性能下降。這組器件范圍從型號為MRFE6VP61K25HR6的最大功率增強型LDMOS晶體管(見(jiàn)圖)——額定脈沖式峰值輸出功率為1250W(工作頻率為230MHz，脈寬100μs，占空比20%)，到125W輸出功率的MRF6VP8600HR6型號——主要用于從470MHz至860MHz的廣播級模擬與數字電視發(fā)射機。處于兩者之間的MRFE6VP5600HR6是一款LDMOS功率晶體管，可以在從1.8MHz至600MHz范圍內提供600W脈沖或連續波輸出功率，MRFE6VP6300HR6則是一款增強型LDMOS功率晶體管，能夠在從1.8MHz至600MHz范圍內提供300W輸出功率。

MRFE6VP61K25HR6是一款增強型LDMOS晶體管，可在頻率高達600MHz范圍內提供1250W的額定脈沖和連續波輸出功率，并且能夠在負載失配相當于65.0:1的VSWR條件下正常工作。

與其它飛思卡爾的“耐用型”器件一樣，這些晶體管經(jīng)過(guò)了以下耐用性認證：在頻率為230MHz、10μs脈寬和20%占空比的脈沖條件下所有相位角可承受相當于65.0:1的VSWR的負載失配。這些器件的測試是在+50VDC電源和100mA靜態(tài)漏電流條件下進(jìn)行的。此外，晶體管還在輸入功率電平等于兩倍于額定最大輸入功率電平的條件下對這些器件進(jìn)行了評估，結果同樣完好無(wú)損。

這些大功率晶體管能以單端或推拉方式工作，它們實(shí)際上可工作在從30V至50V的電源下，因此具有很大的設計靈活性。封裝對這些器件來(lái)說(shuō)也很重要，因為在不利工作條件下，大部分輸出功率將被反射進(jìn)有源器件和周邊的封裝。

雖然這種判斷射頻功率晶體管是否真正耐用的篩選方法似乎有些過(guò)分，但許多應用：包括射頻切割、CO2激光、半導體處理設備、等離子發(fā)生器和核磁共振成像(MRI)系統等等可能就要求這樣的耐用性。另外，大功率發(fā)射應用，特別是天線(xiàn)必須經(jīng)受住各種不同環(huán)境應力(如雪和冰)的應用，可能經(jīng)常會(huì )遭遇嚴重的負載失配情況。使用一組能“經(jīng)受虐 待”的晶體管可以極大地延長(cháng)固態(tài)發(fā)射機的工作壽命。