[发明专利]包括具有改进耐久性的RF‑LDMOS晶体管的电子设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括RF-LDMOS晶体管的电子设备和一种用于所述RF-LDMOS晶体管的保护电路。

背景技术

在用于个人通信系统(GSM、EDGE、W-CDMA)的基站中，RF功率放大器(PA)是关键部件。对于这些功率放大器，RF横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管由于其卓越的功率容量增益、线性和可靠性是技术的标准选择。

RF功率放大器是一种电子放大器，用于将低功率射频信号转换成重要功率(significant power)的较大信号，典型地用于驱动发射机的天线。通常将它优化成具有高效率、高输出功率(P1dB)压缩、在输入和输出上良好的回波损耗、良好的增益和最佳热耗散。所述RF功率放大器的基本应用包括驱动另一个高功率源、驱动发射天线、微波加热和激励谐振器结构。在这些应用中，驱动发射天线是最众所周知的。所述发射机-接收机不仅用于语音和数据通信，而且用于天气感测(以雷达的形式)。

RF功率放大器通常由具有源极引线(板形)、漏极引线和栅极引线的封装组成。在所述封装内部，提供了一种半导体管芯(die)，其中制造了所述RF功率晶体管。依赖于所述半导体管芯的尺寸，还可以存在所述管芯的栅极侧设置的电容器(MOSCAP)，并且可以存在所述漏极侧的另一个电容器。增加所述电容器用于所述半导体管芯与外界的阻抗匹配。将所述管芯导线键合(wire bonded)至各个引线。出于(电)性能的原因，保持所述键合导线尽可能短。用于基站的功率放大器(PA)主要使用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。基站PA的趋势是朝着更高的峰值功率容量，以便能够为更大的数据容量发射更多的频道。按照如下方式设计现代的LDMOS管芯，即所述栅极和漏极接触位于所述管芯的顶面处，而所述源极接触位于所述管芯的背面处。设计所述LDMOS封装以便适合这种结构。可以通过键合导线将所述栅极和漏极连接至所述引线。利用所述管芯的背面接触将所述源极连接至所述封装(凸缘，flange)的底部(引线)。所述凸缘用作第三引线。这种结构保证了在所述管芯和所述第三引线(源极)之间非常短的连接。这种源极的背面接触只有在所述管芯的衬底是导电的情况下(即在硅基LDMOS技术的情况下)才是可能的。

用于功率RF-LDMOS晶体管的另一个重要性能指标是RF-耐久性。可以把这种RF-耐久性定义为经受输出处反射功率的能力。如果发生阻抗不匹配，那么会在输出处反射功率。这会作为突发事件(例如在天线损坏时)或者所述应用结构上的正常部分(例如在开灯时)发生。把设备能够经受的反射功率的量表示为所述设备能够继续使用(没有毁掉)的电压驻波比(VSWR)。在许多用于基站的LDMOS产品中规定VSWR为1:10。在RF功率放大器中，所述反射功率在所述放大器级中LDMOS的漏极处引起电压峰值。如果这个电压变得太高，那么会破坏所述设备。

在现有技术中已经提出了几种针对这个问题的解决方案。

第一种解决方案涉及功率放大器(PA)的保护，通过利用在所述设备输出处的环形器(Circulator)(http://en.wikipedia.org/wiki/Circulator)用于VSWR不匹配。这是一种非常昂贵的解决方案。

在US4,122,400中报导了另一种解决方案。这个已公开专利公开了一种用于发射机放大器的保护电路，其中当超过VSWR和温度中的任意一个或者两个的阈值时，提供单独的VSWR(反射功率)控制和单独的温度控制。当感测所述RF放大器的温度时并且当这个温度超过某个阈值等级时，调节所述RF放大器的输出等级以保护所述放大器。单独地提供了一种用于感测所述反射功率与正向功率的比率(利用昂贵的定向耦合)的装置，并且当这个比率超过给定的阈值时，削减(cut back)所述放大器的增益从而保护放大器。

在US6,794,719B2中报导了另一种解决方案，其中提出集成的二极管用于高压(HV)LDMOS晶体管的耐久性改进。然而，这种解决方案不适用于RF应用。在这种解决方案中，所述二极管必须应付高电流和高电压(二极管的击穿电压)，产生了较大的功率耗散。为了避免热损伤，必须使用较大的二极管，产生了较大的电容，并且这样产生了RF性能的降低。