טרנזיסטורי LDMOS הפכו לרכיב הנבחר עבור יישומי מיקרוגל. מוגשת להלן סקירה על השיפורים הטכנולוגיים של ה-LDMOS ב-3.6 גיגה-הרץ במהלך העשור האחרון, ומוצגים ביצועי ה-RF של מוצרי מיקרוגל עם LDMOS עבור מכ”מים בתחום S.
לפני למעלה מעשור הושקו טרנזיסטורי LDMOS כתחליף לטרנזיסטורים דו-קוטביים (bipolar) עבור יישומי הספק RF [1,2]. כיום טכנולוגיית ה-LDMOS היא טכנולוגיית הספק ה-RF המובילה עבור יישומי תחנות בסיס, במיוחד עבור יישומי GSM-EDGE ב-1 ו-2 גיגה-הרץ, יישומי WCDMA ב-2.2 גיגה-הרץ ולאחרונה יישומי WiMax מסביב ל-2.7 גיגה-הרץ ו-3.8 גיגה-הרץ.
אחד מתחומי יישומי הנישה האחרונים בהם השתמשו בהתקנים דו-קוטביים היה תחום המיקרוגל של 3-4 גיגה-הרץ, דוגמת המכ”ם בתחום S. הסיבה העיקרית לכך הייתה שדורות קודמים של LDMOS הציגו ב-3 גיגה-הרץ ביצועים דומים בהשוואה לדו-קוטביים, כך שתכנון מחדש של מערכות מכ”ם מורכבות לא נראה מוצדק.
המנוף העיקרי של LDMOS הוא היישום בקנה-מידה גדול, המאפשר שיפור מתמיד של טכנולוגיית ה-LDMOS [3,4], והוא גרם להופעת הדור האחרון של LDMOS העולה על ביצועי הדו-קוטביים בתדרי תחום S, ביחד עם כמה יתרונות נוספים כגון קשיחות והתנהגות תרמית טובה יותר. במאמר זה תינתן סקירה על שיפורי ה-LDMOS ב-3-4 גיגה-הרץ ויוצגו הביצועים שלהם במוצרי מיקרוגל.
יתרונות ה-LDMOS
טרנזיסטורי LDMOS הם התקנים מבוקרי-מתח, כך שלא זורם בהם כל זרם שער (gate) כמו בהתקנים דו-קוטביים. בקרת מתח זו מאפשרת מעגל ממתח (bias) יותר פשוט ויותר זול בהשוואה להתקנים דו-קוטביים. החיסרון של תחמוצת-שער חלשה לא קיים יותר, מאחר שכיום התקני ESD הם סטנדרטיים.
יתרון נוסף הוא בחיבור המקור (source) אל המצע האחורי של ה-LDMOS, בשעה שלהתקנים דו-קוטביים יש קולט (collector) בצד האחורי.לכן התקנים דו-קוטביים משתמשים במארזי BeO מבודדים, בצירוף תילי קישור. LDMOS מאפשרים החלפת מארזי ה-BeO הרעילים על-ידי מארזים קרמיים או פלסטיים ידידותיים לסביבה. זהו יתרון עצום של ה-LDMOS. תמונה של מארזים קרמיים SOT502 מוצגת באיור 1. התאמה פנימית של המבוא והמוצא כלולה בתוך המארז כדי להמיר את רמות העכבות ולהקטין את הפסדי ה-RF. מקור המצע מולחם בהתכה אל המארז ללא צורך בתילי קישור למקור. ללא תילי המקור ל-LDMOS אין השראות מקור נוספת ומכאן השבח הגבוה של טרנזיסטורי ההספק LDMOS.
ל-LDMOS גם יציבות תרמית טובה יותר מאשר לדו-קוטביים. להתקנים דו-קוטביים מקדם טמפרטורה חיובי הגורם לזליגה תרמית. הדו-קוטביים צריכים אפוא פיצוי טמפרטורה מתוחכם כגון נגדי עומס (ballast) כדי להגן על ההתקן נגד כשלים. בזרמים גבוהים, ל-LDMOS מקדם טמפרטורה שלילי המנתק אוטומטית את ההתקן כאשר הוא נמצא בהספק מלא. דבר זה יוצר יתרון טבעי בהקשר לתכונות תרמיות וקשיחות.
להתקני LDMOS גמישות גבוהה באשר למשך הפולס, דבר חשוב ביישומי מיקרוגל. תצורת המקור המשותף של LDMOS מייצבת את ההתקן ומונעת תנודות במשכי פולסים קצרים יותר.
ביצועי ה-RF של LDMOS בתדרים של 3-4 גיגה-הרץ השתפרו בצורה דרמטית בעשור האחרון והפכו לטובים משמעותית לעומת ביצועי הדו-קוטביים. בפרק IV מוצגים ביצועי ה-RF של LDMOS עבור 3.6 גיגה-הרץ, אך לפני כן הטכנולוגיה המעודכנת הראשונה של ה- LDMOS מתוארת בפרק III.
איור 1. תמונה של התקני LDMOS במארז קרמי עם התאמה פנימית לפני ואחרי.
התפתחות טכנולוגיית ה-LDMOS
טכנולוגיית ה-LDMOS של NXP מעובדת במפעל ייצור שלCMOS 8 אינטש המסוגל לייצר ליתוגרפיה עד 0.14 mm, שם תהליך ה-LDMOS נובע מתהליך ה-CMOS C075 ( שער mm0.35 ). תוספות לתהליך ה-C075 הן בידוד LOCOS, פיסת המקור אל המצע, מיתוך (metallization) הצד האחורי, הוספת סיליקון לשער CoSi2, סיכוך הטונגסטן, מבנה שפך (drain) עם 5 שכבות מתכתיות של AlCu.
חתך סכימטי של ה-LDMOS מוצג באיור 2. אזור המקור n+ של ה-LDMOS מחובר לצד האחורי דרך גשר מתכתי, פיסת (sinker) p+ ומצע p+ (substrate) בעל מוליכות גבוהה מאוד. הזרם יזרום מהמקור לשפך אם השער קיבל ממתח חיובי בהופכו את באר ה-p- בעל הפיזור הצידי.
איור 2. חתך סכימטי של LDMOS RF המיוצר במפעל ייצור CMOS 8 אינטש
בנוסף ה-LDMOS כולל אזור הרחבת השפך כדי ליצור מתח פסק של יותר מ-65 וולט, ומיתוך רב-שכבתי של השפך כדי להקנות תכונות נדידה חשמלית מצוינות. השפך מסוכך מהשער באמצעות לוח טונגסטן היוצר קיבול משוב נמוך ביותר ותכונות אמינות נשא חם(hot carrier) טובות. אצבעות רבות מונחות במקביל כדי ליצור פיסת (die) הספק, היוצרות אורך אצבעות כולל של 10-100 ממ’.
התפתחות ביצועי ה-LDMOS ב-3.6 גיגה-הרץ
המאמר מציג התקני LDMOS שנבדקו ב-3.6 גיגה-הרץ עם מבנה של משיכת-עומס (load-pull) במעגל בדיקה מקורר-מים. להתקנים רמת הספק של 10-20 ואט כדי לאפשר התאמת Q נמוך עם מכווני משיכת עומס ומדידה של התפתחות ביצועי ההתקן עצמו. לכל ההתקנים ממתח במתח ספק של 28 וולט וזרם שפך של 5 מילי-אמפר לממ’ אורך אצבע כדי להשיג ביצועי דרגת AB.
איור 3. התפתחות צפיפות ההספק של LDMOS ב-3.6 גיגה-הרץ כפי שנמדדה עבור התקנים ארוזים ללא התאמה פנימית במבנה של משיכת-עומס.
התפתחות צפיפות ההספק (3dB הספק דחיסה) מוצגת באיור 3. במהלך העשור האחרון צפיפות ההספק כמעט והוכפלה בהגיעה עד מעל 1W/mm עבור הדור השביעי של LDMOS שלNXP . במיוחד ביישומי מיקרוגל יש דרישה מתמדת ליותר הספק. עליית השבח ב-3.6 גיגה-הרץ מוצגת באיור 4. השבח גדל מ-7dB בשנת 2000 ל-14 dB הדור הטכנולוגי האחרון. להתקנים דו-קוטביים שבח של כ-9 dB, הדומה בביצועים לדורות הראשונים של LDMOS, שאינם מצדיקים תכנון מחדש של מערכות מכ”ם מורכבות. אולם השבח של 14 dB של הדורות המאוחרים יותר עולה ב-5dB על הטכנולוגיה הדו-קוטבית, ומצדיק את התכנון בטכנולוגיית LDMOS.
איור 4. שיפור השבח ב-f=3.6 GHz עבור דורות מאוחרים של LDMOS כפי שנמדד בעזרת טכניקות של משיכת-עומס. המסגרת מציגה את הקטנת אורך השער.
במסגרת של איור 4 נתון גרף של הקטנת אורך השער בדורות העוקבים. אורך השער הוקטן דרמטית כדי להגדיל את שבח הטרנזיסטור באמצעות הגדלת מוליכות הגומלין (transconductance). עתה תרומות אחרות, כגון קיבול המבוא, קיבול המשוב והשראות המקור הופכות לחשובות. LDMOS ממנף את היתרון של השראות מקור נמוכה כתוצאה מחיבור המקור האחורי (בניגוד לתילי הכרטיס בהתקנים דו-קוטביים) וקיבול המשוב הנמוך בשל מבנה הסיכוך.
התפתחות יעילות השפך ב-3.6 גיגה-הרץ מתוארת באיור 5. יעילות השיא של הדורות האחרונים של LDMOS היא כ-55%, בעוד היעילות התיאורטית המרבית בסוג AB היא 78.5%. היעילות התיאורטית מתקרבת בתדרים מתחת ל-1 גיגה-הרץ, ומראה שהפסדי התדר מגבילים את היעילות ב-3.6 גיגה-הרץ [3]. התפתחות יעילות השיא הושגה בעיקר על-ידי הקטנת הפסדי קיבול המוצא. הקטנת קיבול המוצא תואר באיור 6. קיבול המוצא הוקטן בגורם של 2 בעשור האחרון.
איור 5. התפתחות יעילות השיא של השפך ב-LDMOS ב-3.6 גיגה-הרץ עבור מתח ספק של 28 וולט.
איור 6. הקטנת קיבול המוצא במצב מופסק ב-Vd=28 V בדורות הבאים של LDMOS.
התפתחות זו של צפיפות ההספק, השבח והיעילות של LDMOS, המוזנת על-ידי שוק תחנות הבסיס הגדול, הובילה להרחבת תחום היישומים של LDMOS. ה-WiMax [4] ושוקי המיקרוגל משתמשים כיום בצורה נרחבת בטכנולוגיית LDMOS.
טכנולוגיית LDMOS
הסמכת תהליך ה-LDMOS נובעת מהנוהלים התקניים של CMOS בתוקף ב-NXP Semiconductors [5], התואמים תקני התעשייה. תשומת-לב מיוחדת מוקדשת להגרעת (degradation) הנשא החם: אלקטרונים וחורים נלכדים בתחמוצת המשטח בגלל השדה החשמלי הגבוה בשילוב עם צפיפויות הזרם הגבוהות במהלך ההפעלה. ההגרעה נמדדת לגבי טרנזיסטור בתנאי ממתח, שהם לרוב בזרם של 5 מילי-אמפר לממ’ רוחב שער ומתח שפך-מקור של 28 וולט. הגרעה של זרם הממתח, הזרם המרבי או ההתנגדות בהפעלה עשויה לגרום לשינוי בביצועי ההתקן. באיור 7 מופיעה ההגרעה Idq עבור הדורות העוקבים של LDMOS. ההגרעה צומצמה במהלך השנים והגיעה כעת לרמה הנמוכה של פחות מ-5% הגרעה לאחר חיוץ (אקסטראפולציה) ל-20 שנה.
יתר על כן בדקנו ביסודיות את ה-LDMOS על נדידה חשמלית. הדורות האחרונים משתמשים במיתוך AlCu רב-שכבתי רחב ועבה בצורת פטרייה. מספרי ה-MTF של הנדידה החשמלית עבור שכבות אלה גבוהים לעומת מבנה המיתוך של 2 שכבות Au
ששימשו בדורות הראשונים של ה-LDMOS.
איור 7. הגרעה של זרם הממתח כפונקציה של הזמן בטמפרטורת החדר. ה-LDMOS נמצא בממתח של 26-30 וולט וזרם מנוחה של 5 מילי-אמפר לממ’.
ביצועי מוצרי מיקרוגל LDMOS
השיפור הטכנולוגי המתמיד היטיב רבות עם מוצרי מיקרוגל איכותיים. דבר זה מוכח באיור 8 עבור התקני פס-רחב מותאמים של 100 ואט בתחום 2.7-3.1 גיגה-הרץ. השבח מתואר עבור התקן LDMOS Gen6 BLS6G2731-120)), התקן Gen4 LMDOS (BLS4G2731-100) ו-התקן דו-קוטבי (BLS2731-110). בעוד להתקן ה-Gen4 שבח גדול ב-0.5dB בלבד מאשר ההתקן הדו-קוטבי, התקן ה-Gen6 עולה על ההתקן הדו-קוטבי ביותר מ-5dB.
יתרה מזו, להתקן ה-LDMOS Gen6 10 ואט יותר הספק ויעילות שפך גבוהה יותר בכל התחום. זה מוצג באיור 9. ברור שהושגה תוספת של 5-10% ביעילות השפך בהשוואה לטכנולוגיה דו-קוטבית.
מוצר מיקרוגל LDMOS אחר הוא ה-BLS6G3135-120 המיועד ליישומי תחום S בטווח התדרים 3.1-3.5 גיגה-הרץ. השבח והיעילות של מוצר מיקרוגל של 120 ואט מוצגים באיור 10.
איור 8. השוואת שבח של התקני פס-רחב מותאמים הפועלים בתחום התדרים 2.7-3.1 גיגה-הרץ.
איור 9. השוואת יעילות השפך של התקני פס-רחב מותאמים הפועלים בתחום התדרים 2.7-3.1 גיגה-הרץ.
ה-BLS6G3135-120 מראה בבירור שבח ויעילות הרבה יותר טובים בהשוואה למוצרים הדו-קוטביים האחרונים. ב-3.1 גיגה-הרץ היעילות קרובה ל-50% ובקצה העליון של תחום התדרים, בשל ההתאמה רחבת-הפס של ההתקן, עדיין הושגו 44%. שבח הפס-הרחב הוא 11-12dB.
איור 10. שבח ויעילות של ה-BLS6G3135-120.
אמינות מוצרי מיקרוגל
העכבה התרמית (ZTH) של מוצרי ה-LDMOS טובה יותר משמעותית מאשר המקבילים הדו-קוטביים. לדוגמה לדו-קוטבי MX091B251Y יש ZTH של 0.28 K/W כאשר הוא פועל באורך פולס של 10ms ומחזור פעולה של 10% בשעה שלתואם שלו LDMOS Gen2 BLA0912-250 ZTH של0.13 K/W בתנאים זהים.
יתר על כן, היעילות של התקני LDMOS היא גבוהה יותר, כפי שראינו בסעיף הקודם. השילוב של ZTH נמוך ויעילות גבוהה גורם לטמפרטורת צמתים יותר נמוכה ב-LDMOS ואמינות משופרת. טמפרטורת צמתים נמוכה יותר בשילוב עם מקדם הטמפרטורה השלילי של התקני MOS השפעה חיובית על יכולת פעילות-היתר (overdrive) של מוצרי LDMOS. יכולת פעילות היתר של ה-BLS6G3135-120 מוצגת באיור 11. התקן זה יכול לשאת בקלות פעילות יתר של 5dB ללא הגרעת ההתקן. וצרי המיקרוגל של NXPיכולים לעמוד בתנאי אי-התאמת יג”ע (VSWR) גדולים ולהשתמש בתהליך LDMOS המיוטב במיוחד עבור אותות מעוצבי פולסים. בשל חשיבותו הגדולה של נושא זה, נפרט את שיפורי הקשיחות במאמר נפרד.
ביישומי מכ”ם מבוקר-מופע, בהם משולב מספר גדול של מגברים, מופע השילוב הופך לפרמטר חשוב.
איור 11. יכולת פעילות היתר של BLS6G3135-120 הנמדדת ב-3.5 גיגה-הרץ, Vds=32V , Idq=100 mA, tP=300ms, d=10%.
תצורת המקור המשותף של ה-LDMOS מקטינה את הצימוד בין תילי החיבור השונים במעגל ההתאמה הפנימי. תצורה זו בשילוב עם בקרת התהליך של ה-CMOS משפרת את פיזור מופע השילוב, כפי שניתן לראות באיור 12. באיור זה מתואר מופע השילוב המנורמל בין מספר גדול של אצוות (batches) הרכבה ופעפוע (diffusion). LDMOS מציג בבירור פילוג הרבה יותר צר מאשר הדו-קוטבי.
איור 12. פילוג מופע שילוב אצווה לאצווה של התקני LDMOS ודו-קוטביים בתדרי תחום S.
סקירת טכנולוגיה של הספק RF
במהלך העשור האחרון, טכנולוגיית ה-LDMOS גברה במהירות בביצועים והפכה לטכנולוגיה המועדפת עבור טרנזיסטורי הספק RF. במאמר זה התמקדנו בהחלפת התקנים דו-קוטביים על-ידי טכנולוגיית LDMOS ביישומי מיקרוגל ופירטנו את תכונות ה-LDMOS. LDMOS היא כיום הטכנולוגיה המובחרת לתכנון יישומים של תחנות בסיס, משדרים,ISM ומיקרוגל. טכנולוגיית GaAS משמשת אך מעט עבור יישומים אלה, אולם היא מועדפת עבור מגברי טלפונים ניידים W4. ברמות הספק נמוכות יותר, (מתחת ל-1 ואט) השוק נשלט על-ידי CMOS. מתפתחות כל הזמן טכנולוגיות חדשות, אך עדיין הן לא הגיעו לשלב בגרות בטכנולוגיית הספק RF, שם האמינות היא שיקול חשוב. GaN עקפה עתה את טכנולוגיה העתידית היותר מבטיחה (אך עדיין בלתי בשלה) עבור יישומי תדר גבוה והספק גבוה. טכנולוגיה כזו יכולה לבשר את הגשמת קונצפטים מתקדמים יותר כגון מגברי הספק במוד מיתוג. NXP משקיעה הרבה במחקר קונצפטים מתקדמים בהיותה שחקן GaN אירופי מוביל. באיור 13 מוצגת סקירה של טכנולוגיות מועדפות עבור התכנונים של היום בתלות בהספק ובתדר. רואים בו ש-LDMOS מתרחבת לקראת יישומים בתדרים גבוהים (מעל 3.5 גיגה-הרץ) ויישומים של הספק גבוה. LDMOS תפסה עמדה יציבה בטכנולוגיית הספק RF תוך ציפייה לפתח יישומים נוספים וחדשים.
איור 13. סקירה של טכנולוגיות טרנזיסטורים מועדפות לתכנון בשנת 2008 בתלות בהספק ובתדר. LDMOS מתרחבת בהתמדה לקראת הספקים ותדרים גבוהים יותר.
לסיכום הגשנו סקירה של שיפורי טכנולוגיית ה-LDMOS ב-3.6 גיגה-הרץ במהלך העשור האחרון. טכנולוגיית ה-LDMOS הפכה להתקן הנבחר עבור יישומי מיקרוגל. מוצרי המיקרוגל LDMOS אשר הוצגו עבור מכ”מי תחום S עולים בביצועיהם על מוצרים דו-קוטביים, עם יתרונות נוספים של קשיחות ותכונות תרמיות טובות יותר.
מאת:
S.J.C.H. Theeuwen, H. Mollee
NXP Semiconductors, Gerstweg 2, 6534 AE, Nijmegen, The Netherlands
steven.theeuwen@nxp.com, hans.mollee@nxp.com
