LDMOS

Zosilňovače s kremíkovými polovodičovými súčiastkami (LDMOS – Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) sú typicky vyrábané využívajúc kombináciu kremíka a oxidu železa. Prvky vyrobené touto technológiou sú známe tým, že pracujú s napájacím napätím 28V, pričom súčasné vylepšenia umožňujú napájať až 50V. Okrem toho, LDMOS technológia pracuje veľmi dobre v oblasti UKV a VKV frekvencií až do 3,5 GHz. Viacstupňové moduly môžu poskytnúť výstupný výkon až do výšky 1 000 W pri 1 GHz, aj keď typické výkonové úrovne sú zvyčajne do 200 W. Vysokovýkonné LDMOS súčiastky zvyčajne majú vnútornú impedanciu prispôsobenú pre navrhované frekvenčné pásmo. Ako typ MOSFET technológie, je LDMOS používa inverzný kanál na rozhraní silikón – oxidu. Inverzný kanál je privedený pod bázu kladným bázovým napätím. Je nutné dodať, že inverzná vrstva existuje jedine nad rozptýlenou laterálnou P-vrstvou. Ak elektrón opustí oblasť nad P-vrstvou je pritiahnutý elektrickým poľom kvôli kladnému predpätiu a opustí inverzný kanál smerujúc k p+ kanálu. Laterálne rozšírenie uzatváracej vrstvy je definované efektívnou dĺžkou bázovej vrstvy. Z toho dôvodu môže byť táto vrstva kratšia ako skutočná fyzická dĺžka bázovej vrstvy.

GaAs MESFET a HEMT s krátkymi bázami majú nedostatky v podobe vysokej výstupnej vodivosti práve vďaka efektu krátkeho kanálu. V štandardnom MESFET, silné elektrické pole z výstupnej strany preniká popod kanál. Týmto dochádza k vzniku parazitného kanálu pri vyššom záťažovom predpätí, ktoré následne preniká cez buffer alebo substrát popod vrstvu nominálneho fyzického kanálu. Tento problém sa čoraz viac prejavuje ak dochádza k ďalšiemu skracovaniu dĺžky bázy a zvyšovaniu záťažového predpätia. V kremíkových LDMOS je tento efekt krátkeho kanálu vyriešený práve zredukovaním P-vrstvy, ktorá sa nazýva aj redukčná vrstva (stopper). Navyše k tejto redukčnej vrstve popod kanálom, väčšina súčasných LDMOS technológií využíva kovový pliešok (vrstvičku) navrchu, ktorá prekrýva tenké dielektrikum nad bázou a poskytuje tak prídavné tienenie bázy výstupného napätia. Kombináciou týchto dvoch opatrení je minimalizovaná spätno-väzobná kapacitancia.

Porovnanie LDMOS technológie a bipolárnej technológie u vysokofrekvenčných výkonových tranzistorov

Medzi hlavné výhody LDMOS technológie patria:

• teplotná stabilita
• frekvenčná stabilita
• vysoký zisk
• zvýšená odolnosť
• nízky šum
• nízka spätnoväzobná kapacitancia
• jednoduchšie predpäťové obvody
• konštantná vstupná impedancia
• nízky teplotný odpor

Teplotná stabilita

LDMOS majú negatívny teplotný koeficient, preto sú chránené proti teplotným únikom. Napríklad, ak je zariadenie napájané vyšším prúdom, jeho teplota rastie a tým je zapríčinený nárast prahového napätia na bráne, ktorý vypne zariadenie a tým spôsobí pokles prúdu.

Frekvenčná stabilita

Nízky počet diódových uzlov a vyšší pomer spätnoväzobnej kapacitancie k vstupnej impedancii u LDMOS zabezpečujú ich frekvenčnú stabilitu.

Zvýšený zisk

K vysokému zisku LDMOS prispievajú dva faktory:

• na rozdiel od bipolárnych technológií u LDMOS nie sú použité pevné kontaktné spoje medzi zdrojom a externými obvodmi a tým je značne znížená spätná väzba zapríčinená vlastnou kapacitanciou a induktanciou. To zabezpečuje vyšší zisk pri vysokých frekvenciách.
• u bipolárnych tranzistorov je teplotná stabilita dosiahnutá na úkor zisku. V snahe znížiť možnosť teplotného úniku sú na emitoroch umiestnené záťažové rezistory, ktoré zabraňujú prúdovým výkyvom (current hogging). Prúdové výkyvy sa vyskytujú, ak jeden z emitorov zlyhá a produkuje vyšší prúd ako ostatné emitory, čím sa zvyšuje jeho teplota. Umiestnenie rezistorov na emitory napomáha k rovnomernejšiemu rozdeleniu prúdov a tým k zvýšeniu teplotnej stability, no zároveň aj zníženiu zisku.

Keďže LDMOS majú vyšší zisk, je potrebný menší počet zosilňovacích blokov, čím je zaistená vyššia spoľahlivosť a nižšia cena.

Zvýšená odolnosť

Odolnosť udáva schopnosť zariadenia odolať rádiofrekvenčným kolíznym situáciám bez zlyhania. U LDMOS sú zdroj aj kanál skrátené, teda tam nevzniká žiadne poruchové napätie. To výrazne zvyšuje odolnosť zariadenia. Odolnosť je dôležitý parameter pre komerčné aplikácie (vysielačky, atď.), v ktorých výstupné zariadenia nie sú chránené izolátormi (cirkulátormi).

Nízky šum

Ďalším dôsledkom záťažových rezistorov na emitoroch bipolárnych rezistorov je zvýšenie šumu, keďže prúd pretekajúci rezistormi generuje šum. LDMOS nie sú týmto šumom ovplyvnené pretože, ako bolo uvedené vyššie, neobsahujú záťažové rezistory. Pre väčšinu zosilňovačov je tento fakt nepodstatný, ale v aplikáciách ako sú napríklad T/R moduly, ktoré majú vysielač nastavený lineárne a prijímač umiestnený v jeho blízkosti, je úroveň šumu kritickým faktorom.

Nízka spätnoväzobná kapacitancia

Mnoho širokopásmových zosilňovačov využíva zápornú spätnú väzbu k dosiahnutiu vyhovujúceho rozloženia zisku naprieč celým frekvenčným pásmom. Tieto aplikácie požadujú nízku spätnoväzobnú kapacitanciu (kapacitancia medzi vstupom a výstupom zariadenia). U LDMOS je táto kapacitancia približne 5-krát nižšia ako u porovnateľných bipolárnych zosilňovačov.

Jednoduchšie predpäťové obvody

LDMOS sú napätím riadené obvody, preto žiadny prúd nie je čerpaný z predpäťových obvodov. Navyše, LDMOS majú záporný teplotný koeficient, takže nie je potrebný žiadny chladiaci komponent v predpäťových obvodoch. Preto sú tieto obvody veľmi jednoduché a predpätie môže byť riadené len jednoduchým deličom napätia.

Konštantná vstupná impedancia

Vstupná impedancia u LDMOS sa mení iba jemne v závislosti od kolísania vstupného napätia. To robí LDMOS veľmi vhodnými pre použitie pri amplitúdových moduláciách, pri ktorých je potrebné konštantné zaťaženie kvôli ochrane pred parazitnými amplitúdovými moduláciami.

Nízky teplotný odpor

Keďže LDMOS majú nízku výkonovú hustotu (polovodičový čip u LDMOS je väčší ako u bipolárnych tranzistorov), vyžiarené teplo uniká na väčšej ploche. Navyše, LDMOS nepotrebujú elektrický izolátor, čím je teplotný odpor výrazne lepší ako u porovnateľných bipolárnych tranzistorov.

Hlavné nevýhody LDMOS

Nízka výkonová hustota

Pri porovnateľných výkonoch je u LDMOS potrebná väčšia plocha čipu ako u bipolárnych tranzistorov. To zapríčiňuje menšiu kocku na vrstvu a tým vyššiu cenu LDMOS. Väčšia plocha tiež obmedzuje maximálny možný výkon pre dané zariadenie.

Poškodenie zapríčinené elektrostatickými výbojmi

Elektrostatický výboj, ktorý bežne dosahuje tisícky voltov, môže poškodiť kanál od brány k zdroju. Preto je nutná antistatická ochrana LDMOS tranzistorov.