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波段的場效應(yīng)晶體管，輸出峰值功率1000W的集成電路就有多種型號可供選擇，為構(gòu)建雷達(dá)、航空電子應(yīng)用的KW級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，末級放大器的驅(qū)動級需要采用功率分配器，由10個功率晶體管構(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，整個輸出模塊的成本隨之增加。設(shè)備的可靠性卻不高，因為末級功率放大器的器件、元件數(shù)的增加，導(dǎo)致故障率變壞?？偟膩碚f，峰值KW級的射頻固體放大器的性能價格比還有待提高。

　　進(jìn)入2000年后，集成電路的材料、工藝、設(shè)計、測量、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)計自動化覆蓋從生產(chǎn)鏈的前段到后段;測量手段更加完善，電學(xué)參數(shù)可在晶圓級上實施;多芯片三維互連封裝代替晶圓級顆片互連或多芯片電路板級互連等等，不但促進(jìn)集成電路的發(fā)展，對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)下的特性曲線測試儀，只有測量線性狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和功率計，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)下的各項參數(shù)的重要測量儀器陸續(xù)推出，解決KW級的射頻/微波晶體管建模難點，設(shè)計自動化，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)，極大地簡化外電路設(shè)計，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，現(xiàn)今射頻功率晶體管已進(jìn)入KW級峰值的新階段。

　　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，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)點和缺點，近年來兩者都有創(chuàng)新，傳統(tǒng)材料會重新挖潛以滿足下一代產(chǎn)品的需要，新型材料會不斷革新。

　　Si材料和GaAs材料在場效應(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的表現(xiàn)。2008年美國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信號驅(qū)動，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