輸出峰值功率1kW的晶體管射頻放大器(08-100)

　　引言

　　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?？偟膩碚f，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。

　　表1 TAN500 Si雙極晶體管的工作特性