一種基于LDMOS器件結構優(yōu)化提升功率放大器功率附加效率 的方法

　　吳錦帆（電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院??四川??成都??610054）

　　摘?要：本文介紹了一種通過(guò)改進(jìn)LDMOS的器件結構，提升以LDMOS搭建的功率放大器的功率附加效率大信號指標的方法。在器件仿真環(huán)境中，通過(guò)對LDMOS的漂移區進(jìn)行結構優(yōu)化，提升器件的小信號增益，然后利用器件等效建模技術(shù)，在電路仿真環(huán)境中，搭建出功率放大器進(jìn)行大信號仿真，在相同的工作條件下功率附加效率提升了約5%左右。

　　關(guān)鍵詞：LDMOS；功率放大器；功率附加效率

　　0 引言

　　橫向雙擴散金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管（RFLDMOS）作為一種應用在射頻放大器電路中的晶體管，最能體現出其性能的器件參數有輸出功率，漏極效率，功率增益等，提高器件的這些參數一直以來(lái)是RFLDMOS研究者們的努力的方向，而隨著(zhù)射頻終端數量的增加，用戶(hù)對數據傳輸速率和容量的要求越來(lái)越高，射頻電路一直有著(zhù)向高頻率高效率的趨勢發(fā)展 ^[1] 。功率附加效率作為射頻功率放大器的大信號指標之一，射頻功率放大器具備較高的功率附加效率意味著(zhù)系統需要更小的直流功率供給就可以產(chǎn)生較大的輸出功率用于RF信號源的放大。同時(shí)也意味著(zhù)器件在工作的過(guò)程中，由于晶體管自身的熱阻所產(chǎn)生的熱消耗將降低，器件的工作壽命也會(huì )相應得延長(cháng) ^[2] 。因此，功率附加效率的提升不僅意味著(zhù)輸出功率的提升，同時(shí)也延長(cháng)了器件的工作壽命。

　　針對上述問(wèn)題，本文提出了一種基于LDMOS器件結構優(yōu)化的方案，通過(guò)大信號與小信號等效模型進(jìn)行建模的方式，提升以L(fǎng)DMOS作為功率晶體管的射頻功率放大器的功率附加效率。文章第2節主要描述該方法的工作原理及流程；第3節給出LDMOS器件結構優(yōu)化方案；第4節給出等效模型建模方法；第5節給出功率放大器仿真結果。

　　1 功率附加效率提升方法原理

　　如圖1所示，功率附加效率指標提升的方法主要分為兩個(gè)階段，功率器件結構設計階段與射頻功率放大器設計階段。在功率器件設計階段，利用半導體工藝模擬以及器件模擬工具（TCAD）仿真軟件進(jìn)行器件仿真模型的建立，其中在完成實(shí)際工藝與仿真軟件參數的校準之后，實(shí)現功率器件結構的建模以及器件電學(xué)特性的仿真，獲得器件的大信號直流特性以及交流小信號特性。以器件的直流特性與交流特性作為連接電路仿真與器件仿真的橋梁，通過(guò)搭建電學(xué)特性等效模型，達到在射頻電路仿真環(huán)境中功率器件的等效還原的目的。在射頻功率放大器設計階段，利用電路仿真軟件，完成射頻功率放大器的搭建以及大信號指標的仿真，通過(guò)調整電學(xué)特性等效模型實(shí)現功率放大器大信號指標的優(yōu)化，并根據電學(xué)特性的優(yōu)化目標指導器件結構設計的優(yōu)化，最終實(shí)現射頻功率放大器的功率附加效率的提升。

　　2 功率器件結構設計與優(yōu)化

　　LDMOS基本結構如圖2所示，主要由P_sinker，源極(Source)，柵極(Gate)，橫向漂移區(LDD)，漏極(Drain)幾個(gè)部分組成，其中通過(guò)高能離子注入形成P_sinker將器件的源極與襯底進(jìn)行了連接，通過(guò)背面減薄和背金工藝形成了背面源電極，減少了電極的數量以及襯底與源極的鍵合連線(xiàn)，降低了寄生的電感與電容，LDD的存在利用RESURF表面電場(chǎng)的原理提升了LDMOS的擊穿電壓，保證了器件能夠在高壓RF的用途。而本文中通過(guò)將LDD區進(jìn)行水平分層，分為L(cháng)DD1,LDD2，其中LDD1為相對低濃度的n摻雜，LDD2維持與原來(lái)結構相同的n摻雜濃度，保證了擊穿電壓與器件導通電阻的不變。低摻雜LDD1的存在降低了右側溝道與LDD區交界的pn結擴散電容 C _gd 改善了器件的小信號特性。在相同的偏置電流I _ds =0.18 A，中心頻率為f = 450 MHz,使用右側的新結構相比原先結構的S21提升了約12%。

　　3 功率器件等效模型的搭建

　　電學(xué)特性等效模型如圖3所示，其中，小信號等效模型和大信號等效模型結構是一致的，兩者不同的地方在于，大信號等效模型的本征部分是時(shí)變的，即虛線(xiàn)框內的本征部分受到端口電壓的改變而改變，而小信號的等效模型在固定的偏置點(diǎn)和工作頻率下是恒定的。

　　該模型主要分為兩部分，其中虛線(xiàn)框內的部分為器件的本征部分，受器件的偏置和工作頻率的改變而改變，器件的大信號直流模型表現為一個(gè)壓控流源，而小信號模型表現為一個(gè)恒流源。虛線(xiàn)框外的為器件的寄生參數部分，主要為器件進(jìn)行封裝時(shí)產(chǎn)生的電阻和電感以及PAD對地耦合產(chǎn)生的寄生電容，寄生參數部分對偏置和工作頻率不敏感 ^[3] 。

　　器件的大信號非線(xiàn)性直流特性通常采用非線(xiàn)性經(jīng)驗模型來(lái)建模，非線(xiàn)性經(jīng)驗模型是以實(shí)驗測試數據為基礎，通過(guò)擬合I-V特性曲線(xiàn)的數據來(lái)確定經(jīng)驗模型中公式所需要的參數。將RFLDMOS典型的轉移特性曲線(xiàn)，分為四個(gè)區：截止區、二次區、線(xiàn)性區和電流壓縮區 ^[4] 。

　　在截止區，RFLDMOS器件的漏極電流隨柵極電壓呈指數變化，此時(shí)的漏極電流有如下形式：

　　當柵極電壓逐漸增大，LDMOS器件進(jìn)入二次區，此時(shí)的器件跨導隨柵極電壓線(xiàn)性增加，漏極電流與柵極電壓的平方呈正比。從LDMOS器件的截至區過(guò)渡到二次區漏極電流可統一表示為

　　V _st 表征器件開(kāi)啟的陡峭程度，V _t 為L(cháng)DMOS的閾值電壓， V _st 和β的數值根據LDMOS的測試數據進(jìn)行擬合得到 ^[5] 。

　　RFLDMOS的線(xiàn)性區電流表達式為

　　在LDMOS電流壓縮區，由于跨導的降低，漏極電流不再隨柵極電壓增加而線(xiàn)性增加，飽和區電流公式如下所示：

　　結合公式（1）~（7），在MATLAB工具中對器件的測試曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合，擬合結果如圖4所示，模型可以較好地擬合器件的直流特性。

　　在A(yíng)DS仿真軟件中搭建小信號等效模型，擬合結果如圖5所示，小信號模型計算結果與測試數據結果擬合程度良好，該小信號模型基本可以表征實(shí)際器件的端口特性。

　　4 功率放大器仿真結果與分析

　　在A(yíng)DS電路仿真中，將搭建好的LDMOS器件模型進(jìn)行輸入輸出匹配，完成功率放大器的搭建，并進(jìn)行大信號仿真。結果如圖6所示，通過(guò)器件結構的優(yōu)化，當小信號模型中的 C _gd 降低12%，在相同的匹配電路以及工作偏置條件下，可以實(shí)現Pout與PAE的整體提升其中，改進(jìn)后的PAE相比于原來(lái)提升5%左右，Pout提升約1 dBm左右。

　　5 結論

　　隨著(zhù)射頻終端數量的增加，射頻電路一直有著(zhù)向高頻率高效率的趨勢發(fā)展。在射頻功率放大器電路中，功率晶體管作為放大器的核心元件，其端口阻抗及寄生參數不僅影響著(zhù)放大電路的端口阻抗，電學(xué)參數特性的改變不僅會(huì )對匹配情況造成改變，也會(huì )對功率附件效率、功率增益等大信號特性造成影響。本文介紹了一種通過(guò)改進(jìn)LDMOS器件結構，提升以L(fǎng)DMOS為功率晶體管的功率放大器的功率附加效率的方法，通過(guò)對LDMOS器件結構進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現了放大器功率附加效率的提升。

　　參考文獻：

　　[1] Vestling L . Design and Modeling of High-FrequencyLDMOS Transistors[D]. Uppsala:Uppsala University,2002.

　　[2] 馮曦. 射頻功率LDMOS器件設計[D]. 北京:清華大學(xué), 2006.

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　　[4] Raffo A , Scappaviva F , Vannini G . A New Approachto Microwave Power Amplifier Design Based on theExperimental Characterization of the Intrinsic Electron-Device Load Line[J]. IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, 2009, 57(7):1743-1752.

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第xx頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）