评估RF-LDMOS器件重要参数解析

（苏州远创达科技有限公司，江苏苏州，215123）

评估RF-LDMOS器件重要参数解析

李树琪

（苏州远创达科技有限公司，江苏苏州，215123）

RF-LDMOS器件作为射频功率器件在目前的高频放大领域占据了很大的市场，从而评估这种器件的参数也变得非常重要。其作为场效应管的直流特性参数，电容特性参数以及高频应用领域的射频性能参数直接关系到对于RF-LDMOS器件是否优良的判断以及是否能够在高频应用场合胜任的重要参考。

RF-LDMOS器件；直流特性；电容特性；射频性能

0 引言

20世纪90年代，随着移动通信的发展，用于射频基站作为射频放大器核心的射频功率器件也被要求具有更强大的性能。当时以Freescale公司为代表的一些国外的大公司投入巨大的人力物力和财力对RF-LDMOS器件进行了研究，而RF-LDMOS器件的线性动态范围大、线性增益高和输出功率大等突出优点使其迅速的占领了市场，目前Freescale公司的Air fast系列和NXP公司的第8代产品已经相继问世成熟，并占有这巨大的市场份额，国内在RF-LDMOS器件民用领域进展相对缓慢，对于RF-LDMOS器件的研究和开发更加迫切。能够很好的了解和分析评估RFLDMOS器件的重要参数，对于我们也有着重要而且现实的意义。

1 RF-LDMOS器件的结构

RF-LDMOS器件是一种有着独特非对称结构的n型沟道的MOSFET器件，剖面结构如图1所示，其具有与表面平行的横向的导电沟道，且其栅端，漏端以及源端均分布在芯片表面。源端通过高掺杂浓度的通道（“P+ Sinker”）与背面衬底的底部相连并接地。在沟道与漏极之间存在一个低浓度的漂移区（“NHV”）。LDMOS器件采用的双扩散工艺，通过不同元素的两次扩散从而可以精准的形成不受光刻条件控制的沟道宽度。

RF-LDMOS器件的漏端高掺杂浓度区和外延层所形成的P-epi N+结是一个Resurf结构的二极管，其存在能有效的提高器件的表面电场电压耐受能力。

法拉第屏蔽层的使用是RF-LDMOS器件有别于其他结构MOS的地方，正是使用了法拉第屏蔽层使得器件表面的电场更加平缓，反馈电容更加小，以及阈值电压的漂移更加的稳定。

当然不管RF-LDMOS器件的结构和技术如何的更新和演进，作为评估这些器件的一些通用而且客观的指标仍然是我们经常碰到以及提及的各种参数和特性，这也将是我们对他们进行研读有了重要的意义。

2 RF-LDMOS器件的直流特性参数

RF-LDMOS器件作为一个硅基的场效应管器件，其直流特性参数反应的是器件的一些本征特质以及对于器件在应用领域的一些限制。

2.1 BVdss（漏源反向击穿电压）

该参数表征的是漏源间寄生二极管反向耐压值，其主要体现于MOS结构的外延（epi）区域，LDMOS器件因为采用Resurf技术，使雪崩击穿点不会发生在外延面上，从而有效的提高了雪崩击穿电压。在器件设计中这个耐压值的选择需要根据器件的应用场合而定。

下式为BVdss的计算表达公式：

其中 LD是指从漏端N+区域边缘至栅端PHV区域边缘的最小距离

LF是指从栅端法拉第屏蔽层边缘至栅端PHV区域边缘的最小距离

在实际应用中在电路开启和关断过程中，由于器件内部寄生的电感和电容与电路寄生的电感和电容的共同作用，将产生一个高于工作电压的尖峰脉冲电压，再加上射频信号的振幅，因此在器件设计过程中一般会考虑将漏源反向击穿电压设定在工作电压的两倍到三倍，以确保器件在开关电路过程中不会损坏。

2.2 Vgs(th)（栅源阈值电压/栅源开启电压）

该参数表征的是作为一个电压控制电流器件的关键参数，其主要体现于器件核心区域—导电沟道由于栅极电压的变化，在掺杂反型区域的传导能力。在器件的使用中，需要参考该值以及应用环境所需要的工作类型来妥善选取。

下式为Vgs(th) 的计算表达公式：

在实际测量和应用中，该值取值越大，对应不同的漏极电压，器件会处于深度线性区或者深度饱和区，沟道将完全开启，其抗干扰能力将提高，但是其值取值越大也将增大直流功率的损耗，使电路的驱动得到更大的支持。

2.3 Rdon（漏源导通电阻）

该参数表征的是器件在完全开启的状态下，存在于漏源之间的器件本征的直流电阻（直流功耗），一个良好的器件的漏电流一般忽略不计的情况下，器件的本征直流功耗就全部体现于存在于电流流过的漏源通路中。形成器件的实际测试中，该参数一般的值在mΩ级别，一个良好的器件该参数一定会是越小越好。下式为Rdon的计算表达公式：

值得我们注意的是在实际使用中往往封装与器件的接触电阻，电路与封装的接触电阻将大大的影响到性能的发挥以及器件的稳定。

2.4 g(fs)（前向跨导）

该参数表征的是随着栅极电压的变化漏极电流的变化程度，从其定义我们就可以看出，这个参数与栅极和沟道存在着极其密切的关系，作为一个高频应用的器件，其频率受到器件栅极尺寸，沟道参杂，栅氧厚度等影响，而这些参数也同样深度影响着跨导这个直流参数。

下式为g(fs)的计算表达公式：

这个参数在具体测量中由于是一个变量与变量的数学计算，那么对于测试设备的计量精度有着较高的要求，其测试值的量级一般在几百个mS到十几个S。

该参数表征的是器件在工作时所产生的热从核心区域到应用环境的散布途径和散布能力。这主要取决于这个途径上使用的材料的热导系数和使用材料的厚度以及不同材料之间的热传导能力。而目前常用材料的热导系数都是比较高的，如硅，铝，铜，银，金以及一些合金等等，这样它们这些材料的接触面就成了影响该参数的重要因素。

在器件的应用中，这个参数往往会与器件的失效进行关联，由于不同材料的接触面的处理不同，可能会形成一些空洞，这样对于热的散发就会形成一些点状或者片状的块，而不是整个封装进行散热，在这些热累积的区域就往往是器件容易被烧毁的地方。

3 RF-LDMOS器件的电容特性参数

极间电容表征的是在任意两个电极之间的电容，这些电容与器件的结构以及组成这些结构的材料有很大的关系。一般可以考虑成两大类电容的串并组合。一种是类似平板电容的处于栅极与沟道之间的电容，另一种是处于漏源之间的PN结反向偏置时的扩散电容。

极间电容的计算公式为：

3.2 端口电容（输入电容、输出电容、反馈电容）

端口电容一般作为器件的应用特性表征在使用中会被经常提及和使用，它们更多的是一个从电路应用的角度来考虑的特性参数，测试器件一般处于一个共源极的应用场合，输入电容表征的是以栅极作为输入端口看到的电容，输出电容表征的是以漏极作为输出端口看到的电容，反馈电容表征的是在输入与输出之间反馈关系的电容分量。

端口电容的计算公式为：

从上面的计算公式我们可以看出端口电容就是极间电容的简单并联或者就是极间电容本身，因此与极间电容的换算并不复杂。值得关注的是由于和都存在有PN结电容的分量，它们将随着偏置电压的增大有着急剧的变化，从而和随着电压的增大而变小，而由于的量级达到了的10倍到100倍，所以变化不是很明显。

4 RF-LDMOS器件的射频性能参数

4.1 Gain（漏极功率增益）

该参数表征的是器件在加载直流信号到达工作点后再加载交流信号，交流信号的放大倍率，一般采用对数的表达形式。

其中RL是指电路的负载电阻 ，ω是指器件的工作频率。

在实际的射频应用中，我们很容易发现，该参数随着工作频率的升高会降低，而且与器件的电路匹配情况有很大的联系。

该参数表征的是器件在加载直流信号到达工作点后再加载交流信号，交流信号的输出功率。该参数的值与器件设计的功率密度以及封装热阻有着较大的关系。

这个参数在实际测试中一般读取的是漏极功率增益的最大点压缩1dB或者压缩3dB时的输出功率。而这个输出功率是应用环境所要求的一个硬指标，决定着一个器件是否能在该频率段该应用电路使用的基本标准。

4.3 Efficiency (漏极效率)

该参数表征的是器件在加载直流信号到达工作点后再加载交流信号，交流信号的输出对比输入（减去直流偏置）的比例，该参数值越高也就意味着有更多的交流功率的输出，更少的自身热损耗。

由于涉及到了交流信号，漏极效率较之直流信号下的工作效率要低很多，而且与器件所选取的直流工作点有很大的关系，当然一些射频应用电路使用多管互补技术也有效的提高了漏极效率。

5 结语

从上文中我们了解了对于一个RF-LDMOS器件一些通用的基本的评估参数，通过这些参数我们能够很好的了解作为一个应用于高频场合的核心器件的状况和性能，当然对于不同的高频应用场合只是了解这些参数是不足的，例如在通信应用中我们还会涉及：IMD，ACPR（邻道信噪比），IRL（输入信号回波损耗）等等，这些都需要根据具体的射频应用进行进一步的测试评估以确定器件的状态和性能。

[1] 云振新，戴洪波.RF LDMOS功率晶体管及其应用.半导体情报， 2001，38（6）：16 - 20

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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