МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике.

Известен СВЧ-транзистор, в котором два мощных транзистора расположены внутри одного корпуса, но полностью изолированы друг от друга [1] Он позволяет получить удвоенную мощность по отношению к мощности каждой его половины путем сложения мощности с push-pull-схеме, для реализации которой необходимы специальные для сдвига фазы сигнала, подаваемого на одну половину транзистора, на 180^о по отношению к сигналу, подаваемому на другую его половину, что требует дополнительных аппаратурных затрат для достижения высокой выходной мощности и, как следствие, дополнительно приводит к снижению надежности.

Известен мощный СВЧ-транзистор [2] содержащий ряд транзисторных кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на фланце корпуса, являющемся выводом коллектора (таким образом, коллектор является общим выводом транзистора), выводы эмиттера и базы, расположенные по обе стороны от фланца корпуса и соединенные радами соединительных проводников с одноименными электродами транзисторных структур. Данный транзистор принят за прототип.

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность получения требуемой выходной мощности, так как экспериментально установлено, что при увеличении в ряду числа кристаллов, начиная с четырех-пяти кристаллов в ряду, в транзисторе возникают поперечные паразитные колебания на рабочей частоте, что принципиально ограничивает простое наращивание числа кристаллов в ряду.

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

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что 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 и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, причем второй вывод транзистора соединен рядом соединительных проводников с вторыми электродами транзисторных структур, дополнительно содержит полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и рядом полупроводниковых кристаллов параллельно последнему и разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, при этом каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с третьим выводом транзистора и с третьими электродами противолежащих транзисторных структур и выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый регистр выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) · X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с третьим выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.

Указанный технический результат, а также дополнительный технический результат, заключающийся в обеспечении усиления СВЧ-мощности с малой обратной связью транзисторами, выполненными с металлическим фланцем, являющимся общим коллекторным или стоковым выводом, достигаются также тем, что мощный СВЧ-транзистор содержит дополнительный вывод, расположенный со стороны второго вывода транзистора симметрично относительно оси симметрии транзистора и соединенный соединительными проводниками с третьими электродами транзисторных структур.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что 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 и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и ряды соединительных проводников, дополнительно содержит две полосковые линии, расположенные по обе стороны от ряда полупроводниковых кристаллов параллельно ему, разделенные зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, при этом каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с ближайшим к ней выводом транзистора и с соответствующими электродами противолежащих транзисторных структур одного или нескольких кристаллов и выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) · X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.

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

Предложенный мощный СВЧ-транзистор, выполненный по первому и второму вариантам (фиг. 1 и 2), содержит полупроводниковые кристаллы 1, а именно транзисторные кристаллы, металлический теплоотвод (фланец) 2 корпуса, являющийся выводом коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первый вывод транзистора, второй 3 и третий 4 выводы транзистора, ряды 5 и 12 соединительных проводников, отрезки 6 равной длины полосковой линии 7, резисторы 8, вторые 9 и третьи 10 электроды транзисторных структур 11 транзисторных кристаллов 1, дополнительный вывод 13 (фиг. 3) транзистора.

Согласно первому варианту (фиг. 1) транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 11 размещены непосредственно на металлическом теплоотводе (фланце) 2 корпуса, таким образом, коллекторы транзисторных структур 11 электрически объединены и коллектор является общим электродом. Электроды 9 (например, эмиттеры) транзисторных структур 11 с помощью ряда 5 проводников подсоединены к второму выводу 3 транзистора. Электроды 10 (в рассматриваемом примере базы) транзисторных структур 11 транзисторных кристаллов 1 (одного или нескольких) с помощью ряда 5 проводников подсоединены к противолежащему отрезку 6 полосковой линии 7, расположенной вдоль ряда транзисторных кристаллов 1, параллельно ему. Ряд 12 параллельных проводников соединяет также отрезок 6 полосковой линии 7 с третьим выводом 4 транзистора. На краях отрезков 6 полосковой линии 7 расположены резисторы 8 (например, пленочные нихромовые на кремниевой подложке). Одна контактная площадка резистора 8 соединена с его подложкой, а другая контактная площадка используется для сборки, связывающей отрезки 6 равной длины линии 7. Таким образом, сопротивление, включенное между отрезками 6 линии 7, равно удвоенному сопротивлению резистора 8. Дополнительный вывод 13 (фиг. 3) позволяет реализовать усилительный режим с малой обратной связью в схемах со взвешенным источником сигнала за счет разделения входных и выходных цепей (фиг. 4 и 5).

Размер транзисторного кристалла 1 1,6 х 0,6 мм. Длина отрезка 6 полосковой линии 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 (9,6) и геометрическими размерами полосковой линии 7. Это приводит к эффекту укорочения длины волны в линии примерно в десять 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 ε 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_экв 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 6 линии 7 на верхней частоте составляет половину длины волны. Общая длина полосковой линии 7 (для шести кристаллов) составляет 0,33 λ· 3 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 7 была разбита на равные отрезки 6, в которые включены резисторы 8, задача которых внести активные потери в резонатор. Наибольший эффект получается, когда достигается минимальная добротность "поперечного" резонатора. Для этого величину резистора 8 выбирают по порядку величины равной 0,2-5 измеренного индуктивного сопротивления ряда 12 проводников на средней частоте рабочего диапазона, так как эти индуктивности включены параллельно резисторам 8 (для токов, текущих в "поперечном" направлении).

На фиг. 2 транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 11 размещены непосредственно на металлическом теплоотводе (фланце) 2 корпуса, являющемся общим выводом коллектора транзисторных структур (первый вывод транзистора). Второй 3 и третий 4 выводы транзистора, расположенные по обе стороны от фланца 2 корпуса, соединены с помощью рядов 12 соединительных проводников с отрезками 6 каждой из полосковых линий 7 соответственно. Отрезки 6 равной длины каждой из полосковых линий 7, расположенных по обе стороны от ряда транзисторных кристаллов 1 параллельно ему, соединены также соединительными проводниками 5 с соответствующими электродами 9, 10 (одноименными с выводом транзистора) противолежащих транзисторных структур 11.

Отрезки 6 каждой из полосковых линий 7 соединены между собой резисторами 8 (аналогично первому варианту предложенного транзистора). Длина отрезков 6 выбирается такой, чтобы на отрезке свободно уместилось требуемое количество соединительных проводников, при этом длина каждого из отрезков 6 должна быть меньше половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней рабочей частоте, а величина резистора 8 выбирается из условия R (0,2-5) · X_L, где X_L измеренное индуктивное сопротивление на средней рабочей частоте соединительных проводников 12 соединяющих отрезок 6 линии 7 с соответствующим выводом 3, 4 транзистора.

В предложенных технических решениях по первому и второму вариантам изобретения могут использоваться транзисторные кристаллы, выполненные как биполярными, так и униполярными.

Использование: в полупроводниковой технике, при конструировании и производстве мощных СВЧ-транзисторов. Сущность изобретения: мощный СВЧ-транзистор содержит 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 и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, причем второй вывод транзистора соединен рядом соединительных проводников с вторыми электродами транзисторных структур, полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и рядом полупроводниковых кристаллов и параллельно последнему, разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, при этом каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с третьим выводом транзистора и с третьими электродами противолежащих транзисторных структур и выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2 - 5) • XL, где XL - индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с третьим выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона. Во втором варианте мощный СВЧ-транзистор содержит две полосковые линии, расположенные по обе стороны от ряда полупроводниковых кристаллов параллельно ему. 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 стыковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие второму и третьему электродам транзисторных структур и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, второй вывод транзистора соединен рядом соединительных проводников с вторыми электродами транзисторных структур, отличающийся тем, что транзистор дополнительно содержит полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и рядом полупроводниковых кристаллов параллельно ему и разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с третьим выводом транзистора и с третьими электродами противолежащих транзисторных структур, причем 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 третьими электродами транзисторных структур. 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 и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и ряды соединительных проводников, отличающийся тем, что транзистор дополнительно содержит две полосковые линии, расположенные по обе стороны от ряда полупроводниковых кристаллов параллельно ему, разделенные зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с ближайшим к ней выводом транзистора и с соответствующими электродами противолежащих транзисторных структур одного или нескольких кристаллов, причем 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 соответствующим выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.