評估RF-LDMOS器件重要參數解析

（蘇州遠創達科技有限公司，江蘇蘇州，215123）

評估RF-LDMOS器件重要參數解析

李樹琪

（蘇州遠創達科技有限公司，江蘇蘇州，215123）

RF-LDMOS器件作為射頻功率器件在目前的高頻放大領域占據了很大的市場，從而評估這種器件的參數也變得非常重要。其作為場效應管的直流特性參數，電容特性參數以及高頻應用領域的射頻性能參數直接關系到對于RF-LDMOS器件是否優良的判斷以及是否能夠在高頻應用場合勝任的重要參考。

RF-LDMOS器件；直流特性；電容特性；射頻性能

0 引言

20世紀90年代，隨著移動通信的發展，用于射頻基站作為射頻放大器核心的射頻功率器件也被要求具有更強大的性能。當時以Freescale公司為代表的一些國外的大公司投入巨大的人力物力和財力對RF-LDMOS器件進行了研究，而RF-LDMOS器件的線性動態范圍大、線性增益高和輸出功率大等突出優點使其迅速的占領了市場，目前Freescale公司的Air fast系列和NXP公司的第8代產品已經相繼問世成熟，并占有這巨大的市場份額，國內在RF-LDMOS器件民用領域進展相對緩慢，對于RF-LDMOS器件的研究和開發更加迫切。能夠很好的了解和分析評估RFLDMOS器件的重要參數，對于我們也有著重要而且現實的意義。

1 RF-LDMOS器件的結構

RF-LDMOS器件是一種有著獨特非對稱結構的n型溝道的MOSFET器件，剖面結構如圖1所示，其具有與表面平行的橫向的導電溝道，且其柵端，漏端以及源端均分布在芯片表面。源端通過高摻雜濃度的通道（“P+ Sinker”）與背面襯底的底部相連并接地。在溝道與漏極之間存在一個低濃度的漂移區（“NHV”）。LDMOS器件采用的雙擴散工藝，通過不同元素的兩次擴散從而可以精準的形成不受光刻條件控制的溝道寬度。

RF-LDMOS器件的漏端高摻雜濃度區和外延層所形成的P-epi N+結是一個Resurf結構的二極管，其存在能有效的提高器件的表面電場電壓耐受能力。

法拉第屏蔽層的使用是RF-LDMOS器件有別于其他結構MOS的地方，正是使用了法拉第屏蔽層使得器件表面的電場更加平緩，反饋電容更加小，以及閾值電壓的漂移更加的穩定。

當然不管RF-LDMOS器件的結構和技術如何的更新和演進，作為評估這些器件的一些通用而且客觀的指標仍然是我們經常碰到以及提及的各種參數和特性，這也將是我們對他們進行研讀有了重要的意義。

2 RF-LDMOS器件的直流特性參數

RF-LDMOS器件作為一個硅基的場效應管器件，其直流特性參數反應的是器件的一些本征特質以及對于器件在應用領域的一些限制。

2.1 BVdss（漏源反向擊穿電壓）

該參數表征的是漏源間寄生二極管反向耐壓值，其主要體現于MOS結構的外延（epi）區域，LDMOS器件因為采用Resurf技術，使雪崩擊穿點不會發生在外延面上，從而有效的提高了雪崩擊穿電壓。在器件設計中這個耐壓值的選擇需要根據器件的應用場合而定。

下式為BVdss的計算表達公式：

其中 LD是指從漏端N+區域邊緣至柵端PHV區域邊緣的最小距離

LF是指從柵端法拉第屏蔽層邊緣至柵端PHV區域邊緣的最小距離

在實際應用中在電路開啟和關斷過程中，由于器件內部寄生的電感和電容與電路寄生的電感和電容的共同作用，將產生一個高于工作電壓的尖峰脈沖電壓，再加上射頻信號的振幅，因此在器件設計過程中一般會考慮將漏源反向擊穿電壓設定在工作電壓的兩倍到三倍，以確保器件在開關電路過程中不會損壞。

2.2 Vgs(th)（柵源閾值電壓/柵源開啟電壓）

該參數表征的是作為一個電壓控制電流器件的關鍵參數，其主要體現于器件核心區域—導電溝道由于柵極電壓的變化，在摻雜反型區域的傳導能力。在器件的使用中，需要參考該值以及應用環境所需要的工作類型來妥善選取。

下式為Vgs(th) 的計算表達公式：

在實際測量和應用中，該值取值越大，對應不同的漏極電壓，器件會處于深度線性區或者深度飽和區，溝道將完全開啟，其抗干擾能力將提高，但是其值取值越大也將增大直流功率的損耗，使電路的驅動得到更大的支持。

2.3 Rdon（漏源導通電阻）

該參數表征的是器件在完全開啟的狀態下，存在于漏源之間的器件本征的直流電阻（直流功耗），一個良好的器件的漏電流一般忽略不計的情況下，器件的本征直流功耗就全部體現于存在于電流流過的漏源通路中。形成器件的實際測試中，該參數一般的值在mΩ級別，一個良好的器件該參數一定會是越小越好。下式為Rdon的計算表達公式：

值得我們注意的是在實際使用中往往封裝與器件的接觸電阻，電路與封裝的接觸電阻將大大的影響到性能的發揮以及器件的穩定。

2.4 g(fs)（前向跨導）

該參數表征的是隨著柵極電壓的變化漏極電流的變化程度，從其定義我們就可以看出，這個參數與柵極和溝道存在著極其密切的關系，作為一個高頻應用的器件，其頻率受到器件柵極尺寸，溝道參雜，柵氧厚度等影響，而這些參數也同樣深度影響著跨導這個直流參數。

下式為g(fs)的計算表達公式：

這個參數在具體測量中由于是一個變量與變量的數學計算，那么對于測試設備的計量精度有著較高的要求，其測試值的量級一般在幾百個mS到十幾個S。

該參數表征的是器件在工作時所產生的熱從核心區域到應用環境的散布途徑和散布能力。這主要取決于這個途徑上使用的材料的熱導系數和使用材料的厚度以及不同材料之間的熱傳導能力。而目前常用材料的熱導系數都是比較高的，如硅，鋁，銅，銀，金以及一些合金等等，這樣它們這些材料的接觸面就成了影響該參數的重要因素。

在器件的應用中，這個參數往往會與器件的失效進行關聯，由于不同材料的接觸面的處理不同，可能會形成一些空洞，這樣對于熱的散發就會形成一些點狀或者片狀的塊，而不是整個封裝進行散熱，在這些熱累積的區域就往往是器件容易被燒毀的地方。

3 RF-LDMOS器件的電容特性參數

極間電容表征的是在任意兩個電極之間的電容，這些電容與器件的結構以及組成這些結構的材料有很大的關系。一般可以考慮成兩大類電容的串并組合。一種是類似平板電容的處于柵極與溝道之間的電容，另一種是處于漏源之間的PN結反向偏置時的擴散電容。

極間電容的計算公式為：

3.2 端口電容（輸入電容、輸出電容、反饋電容）

端口電容一般作為器件的應用特性表征在使用中會被經常提及和使用，它們更多的是一個從電路應用的角度來考慮的特性參數，測試器件一般處于一個共源極的應用場合，輸入電容表征的是以柵極作為輸入端口看到的電容，輸出電容表征的是以漏極作為輸出端口看到的電容，反饋電容表征的是在輸入與輸出之間反饋關系的電容分量。

端口電容的計算公式為：

從上面的計算公式我們可以看出端口電容就是極間電容的簡單并聯或者就是極間電容本身，因此與極間電容的換算并不復雜。值得關注的是由于和都存在有PN結電容的分量，它們將隨著偏置電壓的增大有著急劇的變化，從而和隨著電壓的增大而變小，而由于的量級達到了的10倍到100倍，所以變化不是很明顯。

4 RF-LDMOS器件的射頻性能參數

4.1 Gain（漏極功率增益）

該參數表征的是器件在加載直流信號到達工作點后再加載交流信號，交流信號的放大倍率，一般采用對數的表達形式。

其中RL是指電路的負載電阻 ，ω是指器件的工作頻率。

在實際的射頻應用中，我們很容易發現，該參數隨著工作頻率的升高會降低，而且與器件的電路匹配情況有很大的聯系。

該參數表征的是器件在加載直流信號到達工作點后再加載交流信號，交流信號的輸出功率。該參數的值與器件設計的功率密度以及封裝熱阻有著較大的關系。

這個參數在實際測試中一般讀取的是漏極功率增益的最大點壓縮1dB或者壓縮3dB時的輸出功率。而這個輸出功率是應用環境所要求的一個硬指標，決定著一個器件是否能在該頻率段該應用電路使用的基本標準。

4.3 Efficiency (漏極效率)

該參數表征的是器件在加載直流信號到達工作點后再加載交流信號，交流信號的輸出對比輸入（減去直流偏置）的比例，該參數值越高也就意味著有更多的交流功率的輸出，更少的自身熱損耗。

由于涉及到了交流信號，漏極效率較之直流信號下的工作效率要低很多，而且與器件所選取的直流工作點有很大的關系，當然一些射頻應用電路使用多管互補技術也有效的提高了漏極效率。

5 結語

從上文中我們了解了對于一個RF-LDMOS器件一些通用的基本的評估參數，通過這些參數我們能夠很好的了解作為一個應用于高頻場合的核心器件的狀況和性能，當然對于不同的高頻應用場合只是了解這些參數是不足的，例如在通信應用中我們還會涉及：IMD，ACPR（鄰道信噪比），IRL（輸入信號回波損耗）等等，這些都需要根據具體的射頻應用進行進一步的測試評估以確定器件的狀態和性能。

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Analyzing important parameters about evaluated RFLDMOSdevice

Li Shuqi
（Innogration Suzhou Co. Ltd.Jiangsu Suzhou，215123）

As a RF power device,RF-LDMOS device is the popular device in high frequency amplifier market，so how to evaluate the device is very important.Its DC characteristic,Capacitance characteristic& RF performance in high frequency application directly related to judgment for a RF-LDMOSdevice,and whether it can hand in high frequency applications up to the important reference.

RF-LDMOS device; DC characteristic;Capacitance characteristic;RF performance