טרנזיסטורי LDMOS לת”ר ל–50 וולט

Yan Vainter, Freescale Israel

LDMOS לת”ר (RF) היא טכנולוגיית ההתקנים הדומיננטית שמשמשת ביישומים של מגברי הספק (PA) בתשתית אלחוטית בהספק גבוה, עבור תדירויות של פחות מ–900 מגה–הרץ ועד 3.8 ג’יגה–הרץ. פרישה נרחבת של הטכנולוגיה החלה ביישומים של מגברי הספק בתשתיות סלולריות בהספק גבוה בתחילת שנות התשעים של המאה שעברה. טכנולוגיית התקנים זו מציעה יתרונות משמעותיים לעומת הטכנולוגיה הקודמת של טרנזיסטורי סיליקון ביפולריים ובהם ליניאריות ונצילות גבוהות, הגבר גבוה ותאימות לפלטפורמות מארזים זולות. בתוך שנים ספורות מיציאתה לשוק התשתיות הסלולריות, הפכה LDMOS לטכנולוגיה השלטת, למעשה החליפה לחלוטין את קודמתה, ומאז היא ממשיכה להתפתח ולהשיג רמות גבוהות עוד יותר של נצילות, הגבר, הספק ותדירות.
המבנה של התקני LDMOS גמיש ביותר. למרות שהתשתיות הסלולריות התמקדו בתחום 28–32 וולט, חברת Freescale Semiconductor מפתחת מזה שנים רבות גרסאות 50 וולט לפלטפורמות 28 וולט. לפני כמה שנים מיקדה החברה את פיתוח יישומי 50 וולט מחוץ לשוק התשתיות הסלולריות בתחומים התעשייתיים, המדעיים והרפואיים (ISM) ובשוקי השידור והאוויר–חלל המסחריים (שוק ההספק בת”ר), שבהם צפיפות הספק גבוהה ותאימות לאספקת 48 וולט נחשבים ליתרונות חשובים. לתכונות שהביאו להחלפת הטרנזיסטורים הביפולריים בתשתיות הסלולריות, הספק, הגבר, נצילות וליניאריות גבוהים, עלות נמוכה ואמינות מצוינת, יש ערך רב בשוק ההספק בת”ר, בנוסף לקשיחות הגבוהה מאוד שנדרשת בת”ר, שאותה טכנולוגיית LDMOS יכולה לספק.
מוצרי 50 וולט שתוכננו על ידי Freescale לשוק ההספק בת”ר ונוצרו בפלטפורמת מתח גבוה מאוד בדור השישי (VHV6) עומדים בדרישות ומסופקים בכמויות. מאמר זה מתאר את המבנה שלהם ואת יתרונותיהם לעומת טכנולוגיות מתחרות. דרישות הקשיחות ממערכות הספק בת”ר גבוהות מאלו של התשתיות הסלולריות. המאמר כולל שיקולי התקן ותכנון שמיועדים במיוחד לשיפור הקשיחות ומפרט את תכונות התכנון של המוצרים.

טכנולוגיית LDMOS
התרשים באיור 1 מתאר חתך בשלוחה יחידה בטרנזיסטור LDMOS. הוא כולל אזור source מתכתי שמחבר את חיבור Source מסוג N+ לחיבור Sinker מסוג P+, אשר מחובר למתכת חיבור source בחלק האחורי דרך מצע P+. תכונה זו, הרשומה כפטנט, מקטינה באופן משמעותי את מוליכות חיבור source להשגת שיפור בביצועים ומאפשרת לחבר את השבב ישירות על משטח מארז מוליך חשמלית ותרמית, כדי להשתמש בפלטפורמות מארזים זולות.
דיפוזיית PHV מסוג p של בור יוצרת את מאפייני מתח הסף וההפעלה של ההתקן. שער פוליסיליקון/ WSi מספק התנגדות גישה נמוכה בשער, שהיא חשובה בממדים הגדולים האופייניים להתקני הספק לת”ר. אזור סחיפה NHV מסוג n של ארסן בריכוז אילוח נמוך בין השער לבין אזור ה–drain מסוג N+ עם אילוח גבוה, מתוכנן לתמוך במתחי פריצה גבוהים בהתנגדות נמוכה של מצב פתוח (RDSon) ובאמינות טובה להזרקת נושאי מטען בחום (HCI). חיבור drain מאלומיניום במערום (stacked) מתוכנן לעמוד במפרט הגירת אלקטרונים לקבלת אמינות גבוהה. חיבור מתכתי ב–2 שערים שעובר במקביל לשער יוצר חיבורים מחזוריים לשער פוליסיליקון/ WSi כדי להקטין את התנגדותו. מבני סיכוך מוארקים (ההארקה אינה מוצגת באיור) משמשים להקטנת קיבול המשוב בין חיבור ה–drain לשער וכדי לשלוט בשדות החשמליים שבפני השטח ולאפשר ביצועי התקן משופרים ללא פשרות במתח הפריצה או בשולי HCI.
חידוש נוסף שקבעה Freescale, שהושם בתשתיות סלולריות ושולב במוצרי LDMOS ב–50 וולט להספק בת”ר, הוא מבנה הגנה מורחב לפריקת ESD שיכול לעמוד בתנאי ממתח הפוך מתון בחיבור השער (איור 2). דוגמה ליתרון ההגנה היא פעולה ב–Class C ברמות הספק גבוהות של ת”ר בכניסה. אות בת”ר יכול בקלות להפעיל הגנת ESD סטנדרטית בתנאים שבהם המבנה המורחב נותר כבוי. המבנה המשמש במוצרי הספק בת”ר עמיד יותר בטווח רחב של תנאי הפעלה.
א. השוואה בין טכנולוגיות
הטכנולוגיות המתחרות העיקריות בשוק ההספק בת”ר הן התקן VMOS בסיליקון, ופחות ממנו הוא LDMOS ל–28 וולט. בהשוואה ל–LDMOS, להתקן VMOS יש רכיב אנכי משמעותי לקבלת מתח פריצה מתאים. הממד האנכי ורמת האילוח מוגבלים בהשוואה לייצור משטחי או אופקי. בקרת האילוח והעובי במבנים האנכיים מסתמכת על אפיטקסיות הסיליקון מאחר שמבנים צדדיים יכולים לשפר את הפוטוליתוגרפיה תת מיקרו–מטרית בייצור מודרני, בעוד האילוח נקבע עם דיוק גבוה בעזרת טכניקות של החדרת יונים.
בהשוואה בין שלוש הטכנולוגיות, ל–LDMOS יש הגבר ונצילות עדיפים, שאפשר לעקוב אחריהם בפיתוחים שהונעו מלכתחילה על ידי שוק התשתיות הסלולריות, שייחס לפרמטרים אלו חשיבות עליונה. בנוסף, יש לטכנולוגיה זו יתרונות מבניים כדוגמת יישור שערים עצמי תת מיקרו–מטרי וסיכוכים המקטינים משוב מקיבול. בין היתרונות של התקני LDMOS נכללת התנגדות תרמית, שנובעת מחיבור source אחורי ישירות למשטח המארז המוליך חשמלית ותרמית ומחובר ישירות לגוף קירור. להתקני VIMOS יש חיבור drain בחלק האחורי של הפרוסה ונדרש להם חיבור של השבב למשטח מחומר מבודד חשמלית, עובדה המגדילה את ההתנגדות התרמית היעילה במבנה זה. המוליכות התרמית המצוינת של מוצרי LDMOS מאפשרת להם להגיע לרמות הספק CW גבוהות בהרבה, בייחוד בטכנולוגיית 50 וולט, שלה יש צפיפות הספק גבוהה יותר בהשוואה לטכנולוגיית 28 וולט. כמו כן, להתקני LDMOS ב–50 וולט יש קיבול יציאה לכל וואט של 35% פחות מאשר יש לטכנולוגיות סיליקון מתחרות.
יתרון נוסף של מוצרי LDMOS הוא היותם מיוצרים עבור שוק התשתיות הסלולריות עם רשתות התאמה ברכיבים פסיביים על השבב. האופי הרוחבי של רצף הייצור של LDMOS משפר את התהליכים במפעל מפני שאפשר לבקר אותם ברמות דיוק גבוהות ביותר. למרות שהטכנולוגיות VMOS ו–LDMOS הן בוגרות, הסוג LDMOS ב–50 וולט נחשב “עולה חדש” באופן יחסי בשוק ההספק בת”ר. ולבסוף, טכנולוגיית LDMOS ידועה כמספקת אמינות יוצאת דופן במשך כ–20 שנות שימוש נרחב בתשתיות סלולריות.
ב. מגמות פיתוח הטכנולוגיה
היתרון הייחודי של Freescale, שהוא תוכניות פיתוח הקשיחות עבור LDMOS ב–28 וב–50 וולט והיותה ספקית מובילה בשוקי ההספק בת”ר והתשתיות הסלולריות, מאיץ את הפיתוח ומרחיב את השפעת ההשקעה במו”פ על פני תחום מוצרים רחב יותר.
בין המגמות המופיעות לאחרונה, ניתן להבחין ב–4 מגמות ישימות לתשתיות סלולריות ולהספק בת”ר (איור 3). הראשונה, תדירות פעולה מוגדלת עם מוצרים שפועלים עד 3.8 ג’יגה–הרץ ב–28 וולט. הפלטפורמה הבאה ל–50 וולט של Freescale תתמוך במוצרים עם תדירויות של יותר מ–3 ג’יגה–הרץ. המגמה השנייה היא יציאה לשוק של מעגלים משולבים בריבוי דרגות בהספק גבוה או התקנים בדידים עם רשתות תיאום משולבות בכניסות וביציאות. התקני ת”ר להספק גבוה אלו נפוצים בשוק התשתיות הסלולריות. מוצרים שנמצאים כיום בפיתוח עבור הספק בת”ר כוללים רשתות תיאום משולבות, להקלת השימוש ולשמירה על ביצועי פס רחב. המגמה השלישית היא אימוץ מארזים פלסטיים ביציקת–על (OMP) ליישומי ת”ר והספק גבוה. טכנולוגיית מארזים זו היא הזולה ביותר שקיימת. חברתFreescale, חלוצת השימוש במארזי OMP ביישומי תשתיות סלולריות, מובילה בתחום כיום, ומתכננת בפיתוח עתידי לשים דגש על הגדלת הספק המארזים. המגמה הרביעית היא המשך ההשקעה בפיתוח LDMOS ל–50 וולט עבור שוק ההספק בת”ר, והתאמת הטכנולוגיה בחזרה לתשתיות הסלולריות.

שיפור העמידות
א.עמידות בטרנזיסטורי MOSFET
כשל עמידות בטרנזיסטורי MOSFET הוא כשל תרמי חמור שנובע מפיזור הספק פנימי. כשלים כאלה אינם תוצאה של פעולת הטרנזיסטורים הרגילה בתוך מגבר ההספק שתוכנן לפי עקרונות מבוססים לת”ר. כשל העמידות של טרנזיסטור MOSFET נובע מפריצת חיבור drain (יינון מהתנגשות). אירוע כזה מתרחש כתוצאה מפיזור מטענים באופן פנימי בתוך הטרנזיסטור המונעים מצורות הגלים העצמיות של חיבורי השער וה–drain. באיור 4 מוצג מעגל של מגבר הספק עם MOSFET.קיימים שלושה מנגנוני כשל בסיסיים כתוצאה מיינון התנגשות שעלולים להביא לפיזור הספק גבוה ביותר, וכתוצאה מכך לנזק, שמתוארים בתרשים באיור 4b. שני הראשונים קשורים לפריצה של צומת חיבור drain, בין אם רוחבית על פני הערוץ או אנכית, דרך ה–drain אל בידוד צומת ה–source. המנגנון השלישי הוא המימתוח העצמי והופעת ההתקן הביפולרי הפרזיטי, אשר תנאי מוקדם לקיומו הוא יינון drain. אם נוצר פיזור הספק פנימי בטרנזיסטור MOSFET כתוצאה מאחד האירועים האלו, שחורג מהתכנון התרמי הרגיל של ההתקן, כשל חמור עלול להתרחש. הופעת ההתקן הביפולרי בעייתית בייחוד עקב המשוב החיובי בטמפרטורה, שעלול לגרום לתופעת הבריחה התרמית בטרנזיסטורים ביפולריים (BJT).
ב.שיפורי העמידות של LDMOS
אין להפריד את עמידות טרנזיסטור MOSFET מרשתות התיאום במגבר ההספק או ממקורות האות והעומס שלו. אפשר לשלב בטרנזיסטורים שיפורים יסודיים שישפרו את יכולתו לעמוד במאמצים המופעלים על ידי מגבר ההספק. שינויים פנימיים במבנה ההתקן יכולים לענות על שלושת מנגנוני הכשל ולשנות את התנאים שבהם מתרחשים אירועי יינון ואת אופייני ההתקן הביפולרי הפרזיטי. באיור 5 מופיע חתך בהתקן LDMOS מסוג VHV6 מחיבור source לחיבור drain ומוצגים קצבי יינון התנגשות ומיקומיהם בשלושה תכנונים שונים.
אפיון מעשי של עמידות מגברי הספק לת”ר כגון LDMOS כרוך לרוב בשינוי מאפייני הפעולה שלהם, כדי להגדיל את המאמצים על טרנזיסטור MOSFET ולקבוע את נקודת הכשל.
שתי שיטות עיקריות משמשות את Freescale לבדיקת עמידות ההתקנים שלה:
1.    הפעלה ברמות גבוהות של אי תיאום עכבות שנמדדת על ידי הרמה המתאימה של יחס VSWR של העומס.
2.    מעברים מהירים במצב האות שנמדדים על ידי זמני העלייה והירידה של האות
כפי שנראה בתרשימים באיור 6, למבנה ההנדסי הפנימי יש השפעה מכרעת על עמידות ההתקן בבדיקות.
Freescale פיתחה את תהליך LDMOS ל–50 וולט מסוג VHV6E ליישומים תעשייתיים, כגון מחוללי פלזמה, לייזרים מסוג CO2 ומכשירי MRI, שלהם נדרשת להם עמידה ברמות VSWR גבוהות. הרחבת תהליך זה לטכנולוגיית VHV6 יוצרת התקן שיכול לעמוד ביחס VSWR של 65:1 לפחות בכל זוויות הפאזה ובהספק המוגדר בהן.

תכונות תכנון
בחלק זה נעסוק בתכונות התכנון של התקני הספק לת”ר ב–50 וולט בשני היבטים, יישומי ISM ויישומי חלל–אוויר.
א.התקני הספק ליישומי ISM ב–50 וולט
Freescale מציעה תשעה התקני 50 וולט שונים לפס ISM. התקנים אלו קיימים ברמות הספק שונות ובסגנונות מארז שונים. רמות ההספק שלהם נעות מדוחף של 10 וואט ועד התקן דרגה סופית של 1 קילו–וואט. התדירות נמצאת בטווח שבין 1.8 מגה–הרץ לבין 600 מגה–הרץ.
בדיון זה נתאר את ההתקן MRF6VP2600H ל–50 וולט. ההתקן רב תכליתי והוא מתוכנן במארז קרמי עם חלל–אוויר ויכול לעמוד בגל רציף של 600 וואט או לשמש ליישומים בפולסים (pulsed). מאחר שההתקן אינו מתואם, אפשר להשיג באמצעותו ביצועי ת”ר מצוינים בפסי התדירויות VHF ו–UHF. אפשר לקבל מהחברה מעגלים לדוגמה שנבנו ונבדקו ולבדוק באמצעותם את ביצועי ההתקן.
ב. התקני הספק ליישומי חלל–אוויר מסחריים ב–50 וולט
לחברת Freescale יש כיום חמישה מוצרי 50 וולט לפסי התדירויות ביישומי אוויר–חלל מסחריים. מוצרים אלו הם MRF6V10010N, MRF6V12250H, MRF6V12500H, MRF6VP121KH ו–MRF6V14300H. MRF6V10010N נתון במארז כיסוי על פלסטי זול ומיועד לשמש כהתקן דוחף ל–10 וואט הפועל בתדירויות מ–960 ל–1400 מגה–הרץ. MRF6V12250H נתון במארז קרמי עם חלל אוויר ופועל בפולסים ב–275 וואט ביישומי דרגה סופית. MRF6V12500H במארז קרמי עם חלל אוויר ומיועד לפעולה בפולסים ב–500 וואט ביישומי דרגה סופית. MRF6VP121KH נתון במארז קרמי עם חלל אוויר ומשמש לפעולה בפולסים ב–1 קילו–וואט בדרגות סופיות. MRF6V10010N, MRF6V12250H, MRF6V12500H ו–MRF6VP121KH מיועדים לפעולה בפולסים ביישומי פס התדירויות 960 עד 1215 מגה–הרץ, כגון ניהול בקרת תעבורה אווירית. MRF6V14300H מתוכנן לפס התדירויות 1200 עד 1400 מגה–הרץ כהתקן דרגה סופית לפעולה בפולסים ב–330 וואט וב–P3dB.
ג.דוגמאות של התקני הספק ל–50 וולט
MRF6VP11KH הוא התקן רב תכליתי שמתאים עד מאוד לטווח רחב של יישומים. יכולתו לספק 1 קילו–וואט באות בדיקה בגל רציף נובעת מהנצילות הגבוהה שלו ומהתנגדותו התרמית הנמוכה. מעגל דוגמה לפס FM (88–108 מגה–הרץ), שאותו החברה מספקת, הוא דוגמה טובה לביצועי ההתקן. בטווח תדירויות זה יש להתקן הספק מוצא של יותר מ–800 וואט, הגבר גדול יותר מ–24 dB ונצילות drain גדולה יותר מ–80 אחוזים. ביצועים אלו הושגו עם מעגל היישום המופיע באיור 7.

איור 8 מציג את ביצועי הפס הרחב של התקן בדיקת היישום ב–88–108 מגה–הרץ.
MRF6V12500H תוכנן כדוגמה נוספת עבור טווח התדירויות 960 מגה–הרץ עד 1215 מגה–הרץ. איור 9 מציג את הנחת הרכיבים הקומפקטית במעגל לפס הרחב עם גודל מעגל מלא של 8.2 x 5.6 ס”מ בלבד. הביצועים האופייניים של תכנון מעגל פולסים זה ל–960 עד 1215 מגה–הרץ מוצגים באיור 10. במעגל בדיקה זה, ברמת הספק מוצא של 500 וואט, ההגבר גדול יותר מ–17.5 dB עם שטיחות הגבר טובה יותר מ–1 dB ונצילות drain גדולה יותר מ–56 אחוזים.

סיכום
חברת Freescale שיפרה בהצלחה את מעמדה בעולם כספקית מובילה של טרנזיסטורי LDMOS לת”ר בהספק גבוה, על מנת לפתח, לאשר ולהוציא לתהליך ייצור את תיק המוצרים של התקני LDMOS ל–50 וולט המתוכננים במיוחד עבור הדרישות של מגזרי שוק ה–ISM והשידור ומגזר השוק המסחרי אוויר–חלל. בהשוואה לטכנולוגיות קיימות במגזרי שוק אלו התקני LDMOS ל–50 וולט של Freescale מספקים הספק, הגבר, ליניאריות ונצילות טובים יותר, במקביל לשיפור מארזים פלסטיים ביציקת–על, שהם כדאיים מבחינת עלות, כדי להוציא לשוק מוצרים בנקודות מחיר פורצות דרך. במאמר זה תיארנו את טכנולוגיית ההתקנים עם תכונותיהם החשובות והצגנו פרטים לגבי האופן שבו מתוכננת עמידות עליונה לתוך ההתקנים, בנוסף לתכונות התכנון של תיק המוצרים. חברת Freescale מחויבת לאספקת פתרונות משכנעים לשוק ההספק בת”ר, לרבות תוכנית פיתוח בהיקף גדול שהפכה להיות אפשרית כתוצאה מההתקדמות החדשנית של Freescale.