NexION® 2000 ICP满足创新电路要求的新固态晶体管技术

由珀金埃尔默公司专为 NexION® 2000 ICP 质谱仪设计的新 ICP-MS 射频发生器采用了新的电路设计技巧和先进的部件，在传输等离子体源的同时具备高水平的性能、稳健和经久不衰的可靠性

在过去二十年里，人们对半导体电子产品提出了“更快、更小和更”的要求，于是推动人们持续不断地研发出了功率更小、集成了更多功能、外形更紧凑的电子电路系统。电力电子学也得益于新的半导体发展，实现了更大的功率密度、更高的效能和更加优异的热稳定性。珀金埃尔默公司的设计团队选择了新一代的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管技术，使 NexION 2000 ICP-MS 的射频发生器具备目前半导体的强优势。

大功率密度的优点使得射频发生器使用少的功率晶体管即可达到 1.6 kW 的高功率，消除了功率合成电路的效能损耗，从而从多个低功耗晶体管中累计功率。它还能减少许多晶体管设备里普遍存在的增益、效能、电流和热失配问题。

当可用功率超过实际输送功率，由于回退操作余度有所增加，所以晶体管的输出率越大，长期可靠性就越高。例如，如果一直按照大极限运行，如需生成 800 W 射频功率，额定功率为 1.2 kW 的功率晶体管就比 800 W 的晶体管的使用寿命更长。

虽然新的晶体管技术带来了许多优势，但仅仅使用这些晶体管还不足以构成高性能的固体等离子体发生器。考虑到设备的退化和优化，在向更快的速度、更高的效能和更大的密度大踏步前进的同时，硅晶体管的逐步完善被较低的装置击穿限值所抵消。例如，传统功率晶体管的栅通常可以承受 +/- 40V 的电压，但新晶体管可承受的栅击穿电压仅为 -7V。由于谐振频率下的增益衰减，老式的晶体管比较不易受到超过晶体管频率响应的快速电压瞬变的影响。

新式晶体管的击穿电压较低没有对典型的低功率消耗性电子产品构成严重的问题。但是现代晶体管的击穿容差更低，会对 ICP-MS 射频发生器造成困扰，除非设计特征可以适时地克服这个缺点。和典型的电子负载不同，例如广播天线，电感耦合等离子体负载相对不稳定，阻抗范围较广。在等离子体点炬之前，等离子体线圈是纯粹的无功负载，绝大部分射频功率会反射到晶体管。在等离子点炬之后，等离子体线圈会突然发生变化，成为有效的负载吸收器。样品溶液也会影响等离子体的射频阻抗。所有操作会随着射频阻抗、反射功率和电压瞬变快速变化。几个不受控制的电压峰值和电流浪涌的射频周期就足以使功率晶体管发生故障。因此大部分 ICP-MS 制造商偏向于使用老实的功率晶体管技术，尽管存在很多风险，例如过时、设计灵活性较差和功率传输效率较差。为了实现新式晶体管的众多优势，珀金埃尔默公司科学家设计和测试了先进的新式电路技术，从而消除击穿电压偏低的风险。研发的结果是我们得到了具有高水平可靠性、速度、效能和等离子体稳健性的射频发生器。