МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к конструированию и производству мощных транзисторов.

Известен мощный СВЧ-транзистор на основе мощного транзисторного кристалла, включающего 36 транзисторных структур, расположенных в два ряда с общими контактными площадками базы [1] При этом контактные площадки эмиттеров получаются размещенными вдоль противоположных сторон кристалла. Сборка эмиттерных площадок каждого ряда проводится на отдельный конденсатор входной согласующей цепи. Расстояние между конденсаторами такое же, как расстояние между рядами контактных площадок эмиттера на транзисторном кристалле. С помощью этого достигается равенство трансформирующих индуктивностей входного согласующего звена для обоих рядов транзисторных кристаллов, необходимое для равномерного распределения СВЧ-тока и мощности между рядами кристаллов.

Размещение контактных площадок базы в середине кристалла приводит к увеличению индуктивности сборки общего электрода, поскольку условия работы на СВЧ требуют сближения рядов, усиливается взаимное тепловое слияние структур друг с другом и ухудшается тепловое сопротивление всего транзистора. Для борьбы с этим предусматриваются специальные меры в процессе производства самих кристаллов: уменьшение толщины полупроводниковой подложки и нанесение на нее слоя серебра с высокой теплопроводностью, что, естественно, увеличивает стоимость транзистора. Общим электродом транзистора является база, поэтому транзисторный кристалл расположен на вкладыше из дорогостоящей и токсичной в производстве бериллиевой керамики, что увеличивает тепловое сопротивление транзистора на 20-30% и, кроме того, стоимость транзистора также возрастает.

Известен также мощный СВЧ-транзистор, содержащий транзисторные кристаллы, размещенные на металлическом фланце корпуса с обеспечением электрического и теплового контакта подложки транзисторных кристаллов с фланцем корпуса, выводы эмиттера и базы, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и ряда проводников, соединяющих контактные площадки эмиттера и базы кристаллов с одноименными выводами на корпусе транзистора [2] Данное устройство принято за прототип.

К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную выходную мощность, причем ограничения на выходную мощность обусловлены тем, что экспериментально установлено, что в линейку возможно расположить в корпусе лишь небольшое количество транзисторных кристаллов (до четырех), при увеличении в ряду числа транзисторных кристаллов при работе транзистора начинают возникать поперечные паразитные колебания на рабочей частоте. Кроме того, при расположении в одну линейку (ряд) кристаллов неэффективно используется площадь транзистора. Указанные недостатки не позволяют получить требуемый КПД.

Техническим результатом, на который направлены оба варианта изобретения, является повышение выходной мощности и КПД транзистора.

Указанный технический результат по первому варианту изобретения достигается тем, что мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса, являющемся общим выводом электрода в подложки полупроводниковых кристаллов, первый и второй выводы соответственно первого и второго электродов транзистора, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и соединительные проводники, дополнительно содержит второй ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, параллельный первому, и ряд пассивных элементов, расположенный между первым и вторым рядами полупроводниковых кристаллов параллельно им, а также полосковую линию, расположенную между вторым выводом второго электрода транзистора и вторым рядом полупроводниковых кристаллов, параллельно последнему, разделенную на равные отрезки зазорами, при этом отрезки полосковой линии соединены между собой резисторами, а каждый пассивный элемент выполнен в виде изолирующего слоя, содержащего контактные площадки, размещенные между одноименными электродами транзисторных структур и соединенные с ними с помощью соединительных проводников, причем контактные площадки, соединенные с электродами транзисторных структур, одноименными первому электроду транзистора, соединены соединительными проводниками с первым выводом первого электрода транзистора, контактные площадки, соединенные с электродами транзисторных структур, одноименными второму электроду транзистора, соединены соединительными проводниками с противолежащими отрезками полосковой линии, соединенными соединительными проводниками с вторым выводом второго электрода транзистора, при этом каждый отрезок полосковой линии выполнен длиной, меньшей половины длины волны колебаний в линии на верхней рабочей частоте, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников на средней частоте диапазона, соединяющих отрезок линии с вторым выводом второго электрода транзистора.

Указанный техническим результат, а также дополнительный технический результат, заключающийся в обеспечении усилием СВЧ-мощности с малой обратной связью транзисторами, выполненными с металлическим корпусом, являющимся выводом общего электрода коллектора или стока, достигается также тем, что мощный СВЧ-транзистор дополнительно содержит третий вывод, расположенный со стороны первого вывода первого электрода транзистора симметрично относительно оси симметрии транзистора и соединенный соединительными проводниками с контактными площадками, соединенными с отрезками полосковой линии.

Указанный технический результат по второму варианту изобретения достигается тем, что мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса, являющимся общим выводом электродов подложки полупроводниковых кристаллов, а также два вывода других электродов, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и соединительные проводники, дополнительно содержит второй ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, параллельный первому, и ряд пассивных элементов, расположенный между первым и вторым рядами полупроводниковых кристаллов параллельно им, а также две полосковые линии, расположенные каждая между выводом электрода транзистора и ближайшим к нему рядом транзисторных кристаллов параллельно последнему, разделенные на равные отрезки зазорами, при этом отрезки полосковой линии соединены между собой резисторами, а каждый пассивный элемент выполнен в виде изолирующего слоя, содержащего контактные площадки, размещенные между одноименными электродами транзисторных структур и соединенные с ними с помощью соединительных проводников, а также с противолежащим отрезком полосковой линии, ближайшей к выводу одноименного электрода транзистора, соединенного с помощью соединительных проводников с этим отрезком полосковой линии, причем каждый отрезок полосковой линии выполнен длиной, меньшей половины длины волны колебаний в линии на верхней рабочей частоте, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников на средней частоте диапазона, соединяющих отрезок линии с выводом электрода транзистора.

Все существенные признаки, представленные в формуле изобретения как по отдельности, так и в различных сочетаниях между собой, проявляют одновременно ряд новых технических свойств, а также одновременно выполняют ряд функций. Так, например, размещение в два ряда полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами позволило эффективно использовать площадь корпуса транзистора и одновременно равномерно распределить мощность (и соответственно тепловую нагрузку) между рядами кристаллов. При этом все признаки, описанные формулой изобретения по первому и второму вариантам, позволили получить неожиданное улучшение частотных свойств, увеличение выходной мощности с одновременным увеличением КПД. Разделение полосковой линии на ряд равных отрезков определенной длины, соединенных между собой резисторами с сопротивлением определенной величины, позволило устранить неизвестный ранее паразитный эффект возникновение поперечных колебаний на рабочей частоте при увеличении числа кристаллов. Одновременно разрывы в полосковой линии и резисторы позволили облегчить тепловой режим транзистора, благодаря тому, что из-за разрыва в полосковой линии транзисторные кристаллы располагаются с интервалом, равным этому разрыву, что облегчает тепловой режим работы транзистора. Кроме того, при достаточно больших размерах корпуса полосковая линия играет роль дополнительной балки, т.е. опоры для сборки. Поэтому при анализе изобретения на соответствие требованию изобретательского уровня было установлено следующее.

Все указанные отличительные признаки находятся в неразрывном конструктивно-функциональном единстве между собой, а также с остальными признаками и расчленение устройства на отдельные функциональные части с целью противопоставления им таких же известных частей было бы неправомерным в связи с тем, что любая каждая часть устройства выполняет одновременно несколько функций и проявляет несколько свойств и при вычленении из совокупности существенных признаков, представленной в формуле изобретения, потеряла бы ряд своих функций или свойств.

Изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку из последнего не выявляется влияние предписываемых этим изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата.

Неизвестны технические решения, содержащие отличительные признаки, которые проявляли бы одновременно несколько отмеченных свойств и выполняли бы одновременно ряд функций.

Отмеченное выше позволяет сделать вывод о соответствии изобретения требованию изобретательского уровня.

На фиг. 1 представлена (в плане) конструкция предложенного мощного СВЧ-транзистора, выполненного согласно первому варианту изобретения; на фиг. 2 конструкция этого транзистора, выполненного согласно второму варианту изобретения.

Предложенный мощный СВЧ-транзистор, выполненный по первому и второму варианту (фиг. 1 и 2), содержит полупроводниковые кристаллы, а именно транзисторные кристаллы 1, металлический теплоотвод 2 корпуса (фланец), на котором расположена подложка транзисторных (полупроводниковых) кристаллов 1, находящаяся в тепловом и электрическом контакте с металлическим корпусом, является общим выводом электрода подложки, первый 3 и второй 4 выводы соответственно первого и второго электродов транзистора, соединительные проводники 5, первый 6 и второй 7 ряды транзисторных кристаллов, ряд 8 пассивных элементов 9, полосковая(ые) линия(и) 10, отрезки 11 равной длины полосковой линии, резисторы 12, контактные площадки 13, транзисторные структуры 14, третий вывод 15 транзистора (фиг. 3).

Согласно первому варианту (фиг. 1) транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 14 размещены непосредственно на металлическом фланце 2 корпуса таким образом, что коллекторы транзисторных кристаллов 1 электрически объединены и коллектор является общим электродом, при этом на фланце 2 корпуса размещены первый 6 и второй 7 ряды транзисторных кристаллов, между которыми размещен ряд 8 пассивных 9 элементов параллельно им. На каждом из пассивных элементов 9 ряда 8 пассивных элементов, выполненном в виде изолирующего слоя, металлизацией выполнены контактные площадки 13, размещенные примерно напротив электродов транзисторных структур 14. Каждая контактная площадка 13 соединена соединительными проводниками 5 с одноименными электродами противолежащей пары транзисторных структур 14. Параллельно рядам 6, 7 транзисторных кристаллов 1 между рядом кристаллов и одним из выводов 3, 4 электрода транзистора, например между вторым рядом 7 и вторым выводом 4, размещена полосковая линия 10, состоящая из отрезков 11 равной длины, соединенных между собой резисторами 12, причем величина сопротивления резисторов 12 равна (0,2-5) X_L, где X_L измеренное индуктивное сопротивление на средней рабочей частоте проводников 5, соединяющих отрезок 11 линии 10 с вторым 4 выводом второго электрода транзистора. Отрезки 11 полосковой линии 10 соединены также с контактными площадками 13 ряда 8 пассивных элементов 9, которые, в свою очередь, соединены с одноименными второму электроду 4 транзистора электродами противолежащих транзисторных структур 14. Контактные площадки 13, соединенные с электродами транзисторных структур 14, одноименными первому электроду 3 транзистора, соединены с ним соединительными проводниками 5. Каждый из отрезков 11 полосковой линии 10 выполняется длиной, меньшей половины длины волны колебаний в линии на верхней рабочей частоте. Резисторы 12 расположены на краях отрезков 11 полосковой линии 10, соединяют их между собой и могут быть выполнены, например, пленочными нихромовыми на кремниевой подложке. Одна контактная площадка резистора 12 соединена с его подложкой, а другая контактная площадка используется для сборки, связывающей отрезки 11 линии 10. Таким образом, сопротивление, включенное между отрезками 11 линии 10, равно удвоенному сопротивлению резистора. XL измеряется непосредственно.

Размер транзисторного кристалла 1 1,6 х х 0,6 мм. Длина отрезка 11 полосковой линии 10 для двухкристальной секции 4 мм, ширина отрезка 1,8 мм, толщина подложки 1 мм. Погонная емкость полосковой линии 10 определяется в основном емкостью коллектор-база транзисторных кристаллов 1, которая в рассматриваемом случае равна 9 пФ на один кристалл (при напряжении коллектор база 28 В) и составляет 4,5 пФ/мм в отличие от погонной емкости 0,16 пФ/мм, обусловленной диэлектрической проницаемостью ( ε 9,8) и геометрическими размерами полосковой линии 10. Это приводит к эффекту укорочения длины волны в линии примерно в 10 раз по сравнению со свободным пространством. Подключение к линии транзисторных кристаллов приводит к увеличению погонной емкости линии:
C + где ε относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика линии;
W ширина линии;
h толщина диэлектрика линии;
С_кр емкость кристаллов, подсоединенных на длине отрезка линии l.

Оценить укорочение длины волны в линии такой конструкции можно с помощью теории микрополосковых линий, где в качестве диэлектрической проницаемости линии использовано ее эквивалентное значение для данной конструкции:
ε_экв= + ε+ •
Коэффициент укорочения длины волны в линии равен
В конкретном случае присоединения к линии со следующими параметрами: l 10, W 1,8 мм и h 0,5 мм электродов базы с емкостью порядка 9 пФ на один кристалл вдоль отрезка линии с l 4 мм размещаются два кристалла, ε_эфф 10 + 138 148. Транзистор предназначен для работы в диапазоне частот 0,9-2,5 ГГц. На верхней границе диапазона частот отрезок линии 4 мм соответствует электрической длине линии 0,33 λ (λ длина волны).

При объединении в секцию трех кристаллов 1 отрезок 11 линии 10 на верхней частоте составляет половину длины волны. Общая длина полосковой линии 10 (для шести кристаллов) составляет 0,33 λ· 3 1 λ и, как выяснилось экспериментально, может представлять собой резонатор, способный возбуждаться на рабочей частоте в поперечном направлении (направлении, перпендикулярном движению мощности, что приводит к потере выходной мощности, а также к выходу транзистора из строя). Именно для устранения этого эффекта линия 10 была разбита на равные отрезки 11, в которые включены резисторы 12, задача которых внести активные потери в резонатор. Наибольший эффект получается, когда достигается минимальная добротность "поперечного" резонатора. Для этого величину резистора 12 выбирают по порядку величины, равной 0,2-5 измеренному индуктивному сопротивлению ряда 5 проводников, на средних частотах диапазона, так как эти индуктивности включены параллельно резисторам (для токов, текущих в "поперечном" направлении).

Введенный дополнительный третий вывод 15, соединенный с контактными площадками 13, соединенными с отрезками 11 полосковой линии (фиг. 3), позволяет реализовать усилительный режим с малой обратной связью в схемах со взвешенным источником сигнала за счет разделения импедансов входных и выходных цепей транзистора. На фиг. 4 и 5 показаны упрощенно входные и выходные цепи данного транзистора, включенного по схемам с общей базой и с общим эмиттером соответственно.

На фиг. 2 транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 14 размещены так же, как и в первом варианте в виде двух рядов 6, 7 на металлическом фланце 2 корпуса. Между ними размещен таким же образом ряд 8 пассивных 9 элементов с контактными площадками 13, соединенными с электродами транзисторных структур 14 таким же образом, как и в первом варианте. Между первым выводом 3 первого электрода транзистора и первым рядом 6 транзисторных кристаллов 1 и между вторым выводом 4 второго электрода транзистора и вторым рядом 7 транзисторных кристаллов 1 размещены полосковые линии 10 так же, как и в первом варианте, разбитые на отрезки 11 равной длины, соединенные резисторами 12, причем отрезки 11 выполняются длиной, меньшей половины длины волны колебаний в линии на верхней рабочей частоте (с учетом укорочения, вызванного погонной емкостью транзисторных кристаллов 1), а резисторы 12 выполняются с величиной сопротивления, равной (0,2-5) X_L, где X_L индуктивное сопротивление, на средней рабочей частоте диапазона проводников, соединяющих каждый из отрезков 11 линий 10 с ближайшим выводом 3, 4 электродов транзистора. При этом отрезки 11 полосковых линий 10 соединены также с контактными площадками 13 таким образом, чтобы соединялись одноименные электроды транзисторных структур 14 и соответствующие им выводы 3, 4 электродов транзистора.

Транзисторные структуры 14 по первому и второму вариантам изобретения могут быть выполнены как в биполярном, так и в униполярном исполнении.

Использование: в полупроводниковой электронике, при конструировании и производстве мощных СВЧ-транзисторов. Сущность изобретения: мощный СВЧ-транзистор (варианты) содержит два параллельных ряда полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса - общем выводе коллекторных или стыковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие второму и третьему электродам транзисторных структур, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, ряд пассивных элементов, расположенный между рядами полупроводниковых кристаллов, а также либо одну полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и рядом полупроводниковых кристаллов параллельно последнему и разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, а каждый пассивный элемент выполнен в виде изолирующего слоя, содержащего контактные площадки, размещенные между одноименными электродами транзисторных структур рядов кристаллов и соединенные с ними проводниками, причем контактные площадки, соединенные с вторыми электродами, соединены с вторым выводом транзистора, а контактные площадки, соединенные с третьими электродами, соединены с противолежащими отрезками полосковой линии, которые соединены с третьим выводом транзистора. Длина каждого отрезка полосковой линии меньше половины длины волны колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а величина сопротивления каждого резистора равна (0,2 - 5)XL, где XL - индуктивное сопротивление на средней частоте рабочего диапазона проводников, соединяющих отрезок линии с вторым выводом транзистора. По второму варианту две полосковые линии расположены параллельно по обе стороны от ряда полупроводниковых кристаллов и соединены с первым и вторым выводами транзистора и одноименными электродами противолежащих транзисторных структур соответственно. Реализация предложенной структуры позволяет повысить выходную мощность и КПД транзистора. 2 с. и 1 з. п. ф-лы. 5 ил.

1. Мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса - общем выводе коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие второму и третьему электродам транзисторных структур, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и соединительные проводники, отличающийся тем, что транзистор дополнительно содержит второй ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, параллельный первому, и ряд пассивных элементов, расположенный между первым и вторым рядами полупроводниковых кристаллов параллельно им, а также полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и вторым рядом полупроводниковых кристаллов параллельно ему, разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, а каждый пассивный элемент выполнен в виде изолирующего слоя, содержащего контактные площадки, размещенные между одноименными электродами транзисторных структур первого и второго рядов кристаллов и соединенные с ними соединительными проводниками, причем контактные площадки, соединенные с вторыми электродами транзисторных структур, соединены соединительными проводниками с вторым выводом транзистора, контактные площадки, соединенные с третьими электродами транзисторных структур, соединены соединительными проводниками с противолежащими отрезками полосковой линии, соединенными соединительными проводниками с третьим выводом транзистора, при этом каждый отрезок полосковой линии выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления (0,2 - 5,0) • X_L, где X_L - индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с третьим выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона. 2. СВЧ-транзистор по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительный вывод, расположенный со стороны второго вывода транзистора симметрично относительно оси симметрии транзистора и соединенный соединительными проводниками с контактными площадками, соединенными с отрезками полосковой линии. 3. Мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса - общем выводе коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие электродам транзисторных структур, расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и соединительные проводники, отличающийся тем, что транзистор дополнительно содержит второй ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, параллельный первому, и ряд пассивных элементов, расположенный между первым и вторым рядами полупроводниковых кристаллов параллельно им, а также две полосковые линии, расположенные каждая между выводом транзистора и ближайшим к нему рядом полупроводниковых кристаллов параллельно ему, разделенные зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, а каждый пассивный элемент выполнен в виде изолирующего слоя, содержащего контактные площадки, размещенные между одноименными электродами транзисторных структур первого и второго рядов кристаллов и соединенные с ними соединительными проводниками, а также соединенные с противолежащим отрезком полосковой линии, ближайшей к соответствующему выводу транзистора, который соединен с помощью соединительных проводников с этим отрезком полосковой линии, при этом каждый отрезок полосковой линии выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, (0,2 - 5,0) • X_L, где X_L - индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.