ALTA FREQUENZA
LA TECNOLOGIA LDMOS

Fino ad alcuni anni fa, negli amplificatori di potenza per applicazioni UHF potevano essere utilizzati unicamente transistori realizzati in tecnologia bipolare, in quanto i MOS per Radio Frequenza al tempo disponibili sul mercato erano soltanto di tipo verticale (VMOS).
a cura di Giuseppe Vacca
(Ingegnere sezione RF del dipartimento R&D della Elettronika)

Quella geometria, introducendo una elevata capacità di feedback, accompagnata da un'induttanza di source tutt'altro che trascurabile, presenta un campo di impiego che risulta limitato al trattamento dei segnali a frequenze non superiori a 300MHz (banda VHF).
Essendo i transistori RF POWER predisposti dal costruttore per essere configurati circuitalmente a source comune (il source è rappresentato dalla flangia del dispositivo che per ragioni termiche va fissata meccanicamente sul dissipatore a massa) viene intesa quale capacità di feedback, la capacità di substrato presente tra gate e drain CGD: questa, seppur di piccolo valore, a causa dell'effetto Miller, controretroaziona l'uscita con l'ingresso, riportando indietro quella quota parte di segnale capace di annientare il guadagno.
A livello prestazionale, la differenza principale fra i transistori di potenza a Radio Frequenza realizzati in tecnologia bipolare e quelli in tecnologia MOS è da ricercare essenzialmente nel guadagno. Infatti, a parità di potenza massima d'uscita ottenibile con medesima tensione di alimentazione, un BJT ha un guadagno caratteristico che non supera gli 8 ÷ 9 dB, per un MOS si possono facilmente raggiungere i 14 ÷ 15 dB.
Dalla panoramica decritta discende che, nella realizzazione di una catena di amplificazione completa (dalla conversione in canale fino all'antenna), volendo adottare amplificatori dotati di transistori di tipo BJT, si renderebbero necessari 8 o 9 stadi. Al contrario, se si potessero impiegare dei MOS di potenza, grazie al loro maggior guadagno, si riuscirebbero a risparmiare almeno 3 stadi intermedi e, congiuntamente ai dispositivi attivi, tutti quegli accessori al contorno necessari al regolare funzionamento degli stessi stadi, come l'alimentatore, le protezioni, il sistema di raffreddamento, oltre a realizzare una generica contrazione degli spazi ed un aumento dell'affidabilità della catena in termini di probabilità di guasto, essendo il sistema topologicamente realizzato da blocchi (i vari stadi) in serie.
L'esigenza evidenziata in precedenza ha indotto i settori di Ricerca & Sviluppo delle maggiori Silicon foundry, già impegnate nella produzione di transistori RF, ad un'accanita corsa mirata alla prototipazione di MOS che riuscissero a superare le limitazioni indicate e che quindi fossero in grado di funzionare in maniera efficiente anche a frequenze maggiori della VHF, così da estenderne il loro impiego alle bande più basse delle microonde (bande L ed S fino a 4 GHz).
Ovviamente, il settore trainante del mercato nel processo di sviluppo tecnologico illustrato è stato quello consumer della telefonia cellulare, ciò è dipeso dalla globale diffusione della dual band a 1800 MHz; di fatto si è avuta una ricaduta su tutti i settori vicini come l'Avionico-Militare e, tra i vari, ne hanno beneficiato anche le applicazioni broadcasting in banda UHF, al di sotto del GHz.
Da alcuni anni a questa parte hanno fatto comparsa transistori di potenza di tipo LDMOS (MOS a diffusione laterale) con una situazione di mercato che, per quanto riguarda il broadcasting, è spartita in misura pressoché paritetica tra due grandi marchi: Motorola e Philips, a cui sta per aggiungersi l'esordiente ST.
Mediante l'espediente tecnologico della diffusione laterale (LD) è stata superata la limitazione in frequenza descritta: grazie a una notevole riduzione della capacità di feedback si sono realizzati dispositivi ad effetto di campo molto performanti anche in banda UHF.
Alle buone caratteristiche elettriche legate alla bassa distorsione di intermodulazione ed alla maggiore linearità sia in classe A che in classe AB, intrinseca dei MOS, c'è da aggiungere una elevata efficienza, migliore stabilità termica in particolar modo nelle polarizzazioni in classe A prossime al punto di incrocio (circa 3 ampere), ma soprattutto guadagni tipici di ben 14÷15 dB in applicazioni a larga banda, passando addirittura a valori dell'ordine dei 20 dB se si amplifica a banda stretta.
Sicuramente ci si attende un generale consolidamento della tecnologia LDMOS poiché, essendo relativamente giovane, è soggetta a revisioni e cambiamenti piuttosto frequenti che vengono operati al fine di renderla più performante e più resistente ai guasti. Abbiamo già assistito ad un'involuzione dei dispositivi aventi tensione di alimentazione a 50V, di contro un forte impulso sta avendo la produzione di quelli alimentati a 32V.
E' bene ricordare che il dispositivo MOS (analogamente LDMOS) è intrinsecamente più delicato di quello bipolare a causa della facile perforabilità dello strato di ossido sottile presente sotto il gate. Allo scopo di ovviare a questo pericoloso inconveniente, nelle ultime produzioni sono stati implementati circuiti a diodi introdotti all'interno degli stessi dispositivi, che esplicano una protezione nei confronti delle temute cariche elettrostatiche che vengono accidentalmente indotte (ESD).
Nel settore del broadcast gli LDMOS hanno pagato il prezzo aggiuntivo di dover trattare potenze di qualche ordine di grandezza superiore rispetto ai valori in gioco in applicazioni del campo telecom-GSM. Si è quindi presentata la necessità di affrontare e risolvere una notevole problematica termica; in alcuni progetti è stato necessario ricorrere a processi di lappatura delle superfici di contatto tra flangia del transistor e dissipatore, il tutto congiunto all'adozione del rame per la realizzazione dei dissipatori stessi in luogo del tradizionale alluminio, così da evitare pericolosi gradienti termici che a lungo andare produrrebbero stress ai dispositivi, inficiandone di conseguenza le prestazioni.
Già al momento, la coesistenza delle due tecnologie, BIPOLARE e LDMOS, in apparati amplificatori di potenza dedicati al broadcast sembra esclusa. Il cliente è orientato in modo praticamente univoco verso la LDMOS TECHNOLOGY: questa è nettamente preminente in quanto esibisce una linearità sensibilmente maggiore a livello di parametri video, accanto ad una distorsione tipica inferiore rispetto alla bipolare, entrambe caratteristiche quanto mai necessarie alla luce degli annunciati sviluppi dei sistemi di trasmissione di tipo DVB-T (digital video broadcasting-terrestrial).
Solamente contemplando l'impiego della tecnologia LDMOS si riesce a minimizzare in maniera significativa l'Output Back-off, grandezza rappresentativa della riduzione di potenza in uscita da "pagare" nella conversione della trasmissione da analogica a digitale. Infatti, solo in presenza di questa tecnologia è pensabile intervenire con una efficace precorrezione del segnale digitale in fase di modulazione, così da far tendere al minimo, quantificabile in circa 4dB, la regressione di potenza.