射频功率晶体管耐用性的验证

目前制造的大功率射频晶体管比以往任何时候都更坚实耐用。针对特高耐用性设计的器件可以承受严重的失配，即使在满输出电平时也是如此。现在多家制造 商可提供大功率硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管，这种产品能够承受相当于65.0:1的电压驻波比(VSWR)的负载失配。但这些晶体管 真的无懈可击吗？这种耐用性适用于哪些类型的应用？本报告将介绍一些最新的耐用型大功率LDMOS晶体管以及它们的电气特性，并通过比较测试过程来判断它 们的耐用水平。

众所周知，像硅双极晶体管等一些晶体管能够在其中一些半导体单元因短路或负载失配等原因损坏 时继续工作。因此，将一个器件定义为“耐用晶体管”可能没有清晰的界限。对硅LDMOS晶体管的耐用性测试通常是指器件能够在高输出功率电平下承受严苛的 负载失配状况而不降低性能或造成器件故障。当晶体管工作在负载失配状态下时，它的输出功率有很大一部分会被反射进器件，此时功率必须在晶体管中耗散掉。但 在比较不同耐用性的晶体管时，重要的是检查不同器件制造商达到其耐用性结果的条件，因为不同制造商的测试条件可能有很大变化。

晶 体管耐用性测试通常涉及在测试过程中可能变也可能不变的三个电气参数：输入功率，施加到待测晶体管的直流偏置以及提供给待测器件的负载阻抗。在有些情况 下，晶体管制造商可能使用固定(标称)值的输入功率和器件偏置，并改变负载失配阻抗。虽然这样的测试表明器件可以在这些特定条件下正常工作，但并不能深入 了解器件在面临现实条件时会发生什么情况，因为在现实条件下所有三个参数都可能同时发生变化。

对某些器件来说，耐用性测试包括在正常工作条件下建立基准性能水平，将器件置于应力条件下(如严重的负载失配)工作然后将其恢复到基准工作条件下，以测试性能下降的水平。在第二次基准测试中如果输出功率或直流参数下降幅度达20%以上，通常就意味着器件的失效。

VSWR 一般作为品质因数用来表示负载失配的程度。例如，当负载失配程度相当于5.0:1的VSWR时，晶体管约一半的输出功率将被反射回器件。当负载失配程度达 到20.0:1的VSWR时，晶体管输出功率的约80%将被反射回器件，并且必须以热量形式消散掉。这些VSWR值处于多种不同的失配水平之间，用于表征 射频功率晶体管为“耐用的”器件。

为理解认证一款射频功率晶体管为耐用器件时有何需求，比较一些例子可能会有帮助。耐用性要求通常 由应用来定义。对于长距离的雷达系统来说，比如UHF气候雷达，天线上结冰可能引起严重的负载失配状态，其负载VSWR可达10.0:1或更高。例如，意 法半导体公司(ST)提供的多款N沟道增强型横向MOSFET可工作在VSWR达20.0:1的负载严重失配条件下。型号为STEVAL- TDR016V1的器件是为频率从155MHz至165MHz的VHF航海频段设计的，可在+20V DC电源下提供30W的连续波输出功率。该器件能够提供14.7dB的功率增益和至少60%的效率。意法半导体还提供多款更高频率的“耐用型”晶体管，这 些晶体管可以处理VSWR为20.0:1甚至更高的负载失配情况，不过输出功率电平会低许多。

对于目前市场上的几款 器件来说，20.0:1 VSWR额定值甚至可能有些保守了。例如，恩智浦半导体公司(NXP)至少有一款大功率器件可以承受VSWR为65.0:1甚至更高的负载失配，而飞思卡 尔半导体 (Freescale)正在交付的一系列器件也能在VSWR为65.0:1或更高的负载失配条件下正常工作。这两种器件都是硅LDMOS晶体管。

NXP 在去年于美国马里兰州巴尔的摩市举行的IEEE MTT-S国际微波大会(IMS 2011)上就发布了型号为BLF578XR的首款耐用型晶体管。Class AB model BLF578XR是该公司的流行型号BLF578晶体管的耐用版本，适用于广播和ISM频段应用，并可以匹配从高频至500MHz的应用。在100μs脉 宽和20%脉冲占空比时，工作在225MHz的BLF578XR可以提供1400W的峰值脉冲输出功率。该器件在这些条件下还能达到24dB的功率增益和 71%的典型漏极效率，并具有集成的静电放电(ESD)保护功能。另外，BLF578XR在108MHz、连续波状态下可提供1200W的额定输出功率。

为 证明BLF578XR是“耐用性”晶体管，将其工作频率调整到225MHz，所有相位的负载VSWR等于65.0:1，漏-源极电压设置为+50VDC， 测得的静态漏极电流为40mA，进入负载的脉冲式输出功率为1200W。显然，除了半导体裸片的功能外，封装对于允许该器件在如此严重失配条件下工作也起 着重要作用。该产品采用安装凸缘的陶瓷封装，在+125℃时从结点到外壳的热阻典型值为0.14K/W，在+125℃时从结点到外壳的瞬时热阻典型值为 0.04K/W，因此有助于防止在严重失配条件下因反射的输出功率而导致的热量堆积。

飞思卡尔半导体目前自称拥有最 多种类的“耐用型”硅LDMOS射频功率晶体管，该公司在认证其具有相同脉冲和连续波输出功率额定值器件时的做法非常 独特，所有器件都要通过负载失配程度相当于65.0:1的VSWR或更高条件下的测试，通过测试的器件不能有损坏或性能下降。这组器件范围从型号为 MRFE6VP61K25HR6的最大功率增强型LDMOS晶体管(见图)——额定脉冲式峰值输出功率为1250W(工作频率为230MHz，脉宽 100μs，占空比20%)，到125W输出功率的MRF6VP8600HR6型号——主要用于从470MHz至860MHz的广播级模拟与数字电视发射 机。处于两者之间的MRFE6VP5600HR6是一款LDMOS功率晶体管，可以在从1.8MHz至600MHz范围内提供600W脉冲或连续波输出功 率，MRFE6VP6300HR6则是一款增强型LDMOS功率晶体管，能够在从1.8MHz至60μMHz范围内提供300W输出功率。

图：MRFE6VP61K25HR6是一款增强型LDMOS晶体管，可在频率高达600MHz范围内提供1250W的额定脉冲和连续波输出功率，并且能够在负载失配相当于65.0:1的VSWR条件下正常工作。

与 其它飞思卡尔的“耐用型”器件一样，这些晶体管经过了以下耐用性认证：在频率为230MHz、10μs脉宽和20%占空比的脉冲条件下所有相位角可承受相 当于65.0:1的VSWR的负载失配。这些器件的测试是在+50VDC电源和100mA静态漏电流条件下进行的。此外，晶体管还在输入功率电平等于两倍 于额定最大输入功率电平的条件下对这些器件进行了评估，结果同样完好无损。

这些大功率晶体管能以单端或推拉方式工作，它们实际上可工作在从30V至50V的电源下，因此具有很大的设计灵活性。封装对这些器件来说也很重要，因为在不利工作条件下，大部分输出功率将被反射进有源器件和周边的封装。

虽 然这种判断射频功率晶体管是否真正耐用的筛选方法似乎有些过分，但许多应用：包括射频切割、CO2激光、半导体处理设备、等离子发生器和核磁共振成像 (MRI)系统等等可能就要求这样的耐用性。另外，大功率发射应用，特别是天线必须经受住各种不同环境应力(如雪和冰)的应用，可能经常会遭遇严重的负载 失配情况。使用一组能“经受虐待”的晶体管可以极大地延长固态发射机的工作寿命。