一種基于LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升功率放大器功率附加效率的方法

吳錦帆

摘要：本文介紹了一種通過改進(jìn)LDMOS的器件結(jié)構(gòu)，提升以LDMOS搭建的功率放大器的功率附加效率大信號指標(biāo)的方法。在器件仿真環(huán)境中，通過對LDMOS的漂移區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（ RFLDMOS）作為一種應(yīng)用在射頻放大器電路中的晶體管，最能體現(xiàn)出其性能的器件參數(shù)有輸出功率，漏極效率，功率增益等，提高器件的這些參數(shù)一直以來是RFLDMOS研究者們的努力的方向，而隨著射頻終端數(shù)量的增加，用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率和容量的要求越來越高，射頻電路一直有著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(biāo)之一，射頻功率放大器具備較高的功率附加效率意味著系統(tǒng)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。同時也意味著器件在工作的過程中，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相應(yīng)得延長[2]。因此，功率附加效率的提升不僅意味著輸出功率的提升，同時也延長了器件的工作壽命。

針對上述問題，本文提出了一種基于LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，通過大信號與小信號等效模型進(jìn)行建模的方式，提升以LDMOS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(jié)主要描述該方法的工作原理及流程;第3節(jié)給出LDMOS器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案;第4節(jié)給出等效模型建模方法;第5節(jié)給出功率放大器仿真結(jié)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(biāo)提升的方法主要分為兩個階段，功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計階段與射頻功率放大器設(shè)計階段。在功率器件設(shè)計階段，利用半導(dǎo)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(shù)的校準(zhǔn)之后，實(shí)現(xiàn)功率器件結(jié)構(gòu)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，通過搭建電學(xué)特性等效模型，達(dá)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(shè)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(biāo)的仿真，通過調(diào)整電學(xué)特性等效模型實(shí)現(xiàn)功率放大器大信號指標(biāo)的優(yōu)化，并根據(jù)電學(xué)特性的優(yōu)化目標(biāo)指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)射頻功率放大器的功率附加效率的提升。

2 功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

LDMOS基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由P sinker，源極（Source），柵極（Gate），橫向漂移區(qū)（LDD），漏極（Drain）幾個部分組成，其中通過高能離子注入形成P_sinker將器件的源極與襯底進(jìn)行了連接，通過背面減薄和背金工藝形成了背面源電極，減少了電極的數(shù)量以及襯底與源極的鍵合連線，降低了寄生的電感與電容，LDD的存在利用RESURF表面電場的原理提升了LDMOS的擊穿電壓，保證了器件能夠在高壓RF的用途。而本文中通過將LDD區(qū)進(jìn)行水平分層，分為LDDI，LDD2，其中LDD1為相對低濃度的n摻雜，LDD2維持與原來結(jié)構(gòu)相同的n摻雜濃度，保證了擊穿電壓與器件導(dǎo)通電阻的不變。低摻雜LDD1的存在降低了右側(cè)溝道與LDD區(qū)交界的pn結(jié)擴(kuò)散電容COd改善了器件的小信號特性。在相同的偏置電流Ids= 0.18 A，中心頻率為廠=450 MHz，使用右側(cè)的新結(jié)構(gòu)相比原先結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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變的，即虛線框內(nèi)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，其中虛線框內(nèi)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(xiàn)為一個壓控流源，而小信號模型表現(xiàn)為一個恒流源。虛線框外的為器件的寄生參數(shù)部分，主要為器件進(jìn)行封裝時產(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(shù)部分對偏置和工作頻率不敏感[3]。

器件的大信號非線性直流特性通常采用非線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠斫＃蔷€性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且詫?shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過擬合I-V特性曲線的數(shù)據(jù)來確定經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泄剿枰膮?shù)。將RFLDMOS典型的轉(zhuǎn)移特性曲線，分為四個區(qū)：截止區(qū)、二次區(qū)、線性區(qū)和電流壓縮區(qū)[4]。

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

當(dāng)柵極電壓逐漸增大，LDMOS器件進(jìn)入二次區(qū)，此時的器件跨導(dǎo)隨柵極電壓線性增加，漏極電流與柵極電壓的平方呈正比。從LDMOS器件的截至區(qū)過渡到二次區(qū)漏極電流可統(tǒng)一表示為

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

在ADS仿真軟件中搭建小信號等效模型，擬合結(jié)果如圖5所示，小信號模型計算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)果與分析

在ADS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(jié)果如圖6所示，通過器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，當(dāng)小信號模型中的Cgd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(xiàn)Pout與PAE的整體提升其中，改進(jìn)后的PAE相比于原來提升5%左右，Pout提升約1 dBm左右。