МОЩНЫЙ ВЧ- И СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2002 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов и оконечных каскадов ВЧ- и СВЧ-усилителей мощности.

Известен мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещен полупроводниковый кристалл с транзисторными ячейками, активные области которых соединены с соответствующими одноименными активным областям электродами подложки: входным, нулевого потенциала и коллекторным [1].

Недостатком такого транзистора является уменьшение относительной ширины полосы рабочих частот Δf/f₀, где Δf - ширина полосы рабочих частот, f₀ - центральная рабочая частота, по мере увеличения f₀ и выходной мощности P₁. Это связано с тем, что с увеличением P₁ уменьшается активная составляющая входного импеданса транзистора [2]:
Re{Z_вх1} = R_вх1 = |h₂₁|²•R₁/K_УР,
где |h₂₁| - модуль коэффициента передачи тока, R₁ - эквивалентное сопротивление нагрузки, К_УР=Р₁/Р_вх - коэффициент усиления транзистора по мощности, P_вх - входная мощность,
а также с невозможностью в данной конструкции транзистора реализовать значение первого (ближайшего к транзисторному кристаллу) LC-звена входной согласующей цепи L менее 0,9...1,1 нГн. Так как Δf/f₀ = Re{Z_вх1}/2πf₀•L ≈ 1/Q [2] (Q - добротность согласующего LC-звсна), при f₀≥300 МГц и P₁≥40 Вт значения Δf/f₀ в транзисторах [1] становятся неприемлемыми для разработчиков усилительной аппаратуры.

Наиболее близким по совокупности признаков является мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки [3]. В схеме с общим эмиттером первыми активными областями транзисторных ячеек являются базовые области, а вторыми - эмиттерные, в схеме с общей базой - наоборот.

В таком транзисторе за счет размещения первого согласующего LC-звена непосредственно в корпусе прибора обеспечиваются величины L=0,1...0,5 нГн, что позволяет реализовать требуемые значения Δf/f₀ [2].

Взаимоиндукция рабочих токов транзистора, протекающих по проводникам, соединяющим обкладки конденсатора с активными областями транзисторных ячеек и электродами подложки, приводящая к различию индуктивностей L_i согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек в отдельности [4], препятствует достижению максимального коэффициента усиления по мощности транзистора на его рабочей частоте f₀. Согласно [5]
К_УР(f)=К_РСЦ(f₀)•К_РТ(f₀),
где К_РТ(f₀) - коэффициент усиления по мощности транзисторного кристалла, определяемый его топологией, схемой включения (с ОЭ или с ОБ) и параметрами режима эксплуатации (напряжение питания, уровень входной мощности, класс усиления - А, В, С, эффективность рассеяния выделяющейся тепловой мощности и др.),

коэффициент передачи мощности входной согласующей цепью транзистора при условии, что сопротивление входного эквивалентного генератора на частоте f₀ - активное и равно R_Г, Re{Z₁(f₀)}, Im{Z₁(f₀)} - активная и реактивная составляющие импеданса входного согласующего LC-звена транзистора в целом - параллельного соединения N согласующих LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек с активными и реактивными составляющими импедансов на частоте f₀ соответственно


здесь i= 1, . . . , N; R_вx1i(f₀) - активное входное сопротивление i-ой транзисторной ячейки; С - емкость конденсатора внутреннего согласующего LC-звена.

Так как обкладки конденсатора общие для всех LC-звеньев всех ячеек, С не зависит от i. Максимум (1) - Мах{К_РСЦ(f₀)}=1 достигается при условии
Im{Z₁(f₀)}=0, (4a)
Re{Z₁(f₀)}=R_Г. (4б)
Различие величин L_i в (3) приводит к тому, что для всех i не может выполняться условие Im{Z₁(f₀)}=0. Значит, для транзистора в целом Im{Z₁(f₀)} ≠ 0 (Im{Z₁(f)} ≠ 0, f∈Δf). Следовательно, К_РСЦ(f₀)<1 и максимальное значение К_УР, равное К_РТ(f₀), в конструкции [3] не достигается.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения реактивной составляющей импеданса внутреннего входного согласующего LC-звена мощного ВЧ- и СВЧ-транзистора на рабочей частоте f₀, Im{Z₁(f₀)} за счет уменьшения реактивных составляющих импедансов внутренних входных согласующих LC-звеньев отдельных N транзисторных ячеек Im{Z_1i(f₀)}, i=1,...,N, или m<N групп транзисторных ячеек Im{ Z_1k(f₀)} , k=1,...,m, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном ВЧ- и СВЧ-транзисторе, содержащем диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена N проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки, согласно изобретению первая обкладка конденсатора разделена на m изолированных участков, в пределах каждого из которых располагаются n≥1 контактов проводников, соединяющих участок с первыми активными областями транзисторных ячеек, и соответствующее им количество контактов проводников, соединяющих участок с входным электродом подложки, а площади участков удовлетворяют условию

где d и ε - соответственно толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под участком; ε_o ≈ 8,85•10^-12 Ф/м - электрическая постоянная в СИ; f₀ - рабочая частота транзистора; k= 1, ...,m, L_i - индуктивность соединения участка и i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком; L'_k, R'_k - соответственно индуктивность и сопротивление между контактами проводников, соединяющих k-й участок с транзисторными ячейками, и контактами проводников, соединяющих этот участок с входным электродом; R_вхli - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем хотя бы два значения L_k или два значения R_вхlk не равны друг другу.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности, достигается за счет того, что при выполнении условия (5) на площади S_k изолированных участков первой обкладки конденсатора емкости полученных таким образом конденсаторов входных согласующих LC-звеньев отдельных N транзисторных ячеек (при n=1) или m групп транзисторных ячеек (при n>1) удовлетворяют условию

k= 1, . ..,m, при котором согласно (2) будет уменьшаться реактивная составляющая импеданса входного согласующего LC-звена транзистора. При n=1 емкости согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек в отдельности

i=1,...,N, откуда согласно (2) Im{Z_1i(f₀)}=0. Следовательно, Im{Z₁(f₀)}= 0, и в соответствии с (1) К_РСЦ(f₀) достигает максимального для данной конструкции транзистора значения

Ввиду различия L_i и R_вхдi согласно (2) величины активных составляющих импедансов согласующих LC-цепей отдельных транзисторных ячеек Re{Z_1i(f₀)} будут различны. Так как согласующие LC-звенья отдельных ячеек соединены параллельно и Im{Z_1i(f₀)}=0

что позволяет подобрать Re{Z₁(f₀)} и R_Г так, чтобы выполнялось условие (4б). В этом случае К_РСЦ(f₀)=Мах{К_РСЦ(f₀)}=1. Однако уже выполнение (4а) и приведение (1) к виду (7) обеспечивает достижение положительного эффекта.

При n>1 будет реализовано условие (6), при этом k=1,...,m; m < N


При разделении первой обкладки конденсатора на m < N фрагментов неблагоприятная для достижения положительного эффекта ситуация будет, когда все L_k равны между собой, т.е. равны среднему значению индуктивностей LC-звеньев транзисторных ячеек

k=1,...,m, и одновременно все R_вхlk равны между собой

k=1,...,m.

В этом случае значения Im[Z_1i(f₀)} будут в точности такими же, как в конструкции прототипа. Тогда Im{ Z₁(f₀)} и K_УР(f₀) будут такими же, как в конструкции прототипа, т.е. положительного эффекта не будет. Условие неравенства между собой хотя бы двух индуктивностей L_k или двух активных сопротивлений R_вх1k групп транзисторных ячеек обеспечивает достижение минимального положительного эффекта, так как при выполнении этого условия уменьшается сумма Im{Z_1i(f₀)}, в целом Im{Z₁(f₀)}, и согласно (1) увеличиваются К_РСЦ(f₀) и K_УР(f₀). Значение К_РСЦ(f₀) стремится к единице, a K_УР(f₀) стремится к К_РТ(f₀) при m-->N. Такая же величина K_РСЦ(f₀) может быть достигнута и при m= N/2, n_k=2, когда к каждому k-му фрагменту первой обкладки конденсатора оказываются подключенными по две ячейки с одинаковыми L_i и R_вх1i. Ввиду симметрии конструкции транзистора это возможно для i=l и i=N+1-l, l=1, ...,N/2.

На фиг. 1 изображен заявляемый мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, вид сверху. Здесь представлен вариант реализации для случая n=1 (m=N).

На фиг.2 представлен вариант реализации устройства для случая m<N, n_k≥1.

Мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор состоит из диэлектрической подложки 1, на которой расположены электроды: входной 2, нулевого потенциала 3 и коллекторный 4. Транзисторные ячейки 5 непосредственно контактируют своими коллекторными областями с коллекторным электродом. Контактные площадки металлизации первых активных областей 6 и вторых активных областей 7 соединены соответственно с изолированными друг от друга участками 8 первой обкладки и общей для всех ячеек второй обкладкой 9 конденсатора посредством проводников 10. Изолированные участки разной площади первой обкладки и вторая обкладка образуют конденсаторы входных согласующих LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек (фиг.1) или групп транзисторных ячеек (фиг.2). Вторая обкладка конденсатора непосредственно контактирует с электродом нулевого потенциала 3, а изолированные участки первой обкладки соединены проводниками 10 с входным электродом 2. Места присоединения проводников 11, соединяющих участки первой обкладки с входным электродом и металлизацией первых активных областей 6 транзисторных ячеек, могут быть совмещены (фиг.1) или пространственно разнесены (фиг. 2), так что между ними имеется некоторое сопротивление R'_k и индуктивность L'_k.

При включении СВЧ-транзистора в схему каскада усилителя мощности на вход согласующей цепи поступает усиливаемый сигнал. За счет различия индуктивностей L_i согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек и их активных входных сопротивлений R_вх1i, вызванного взаимоиндукцией контуров, образованных монтажно-соединительными элементами, на рабочей частоте транзистора f₀ имеет место некоторый уровень паразитной реактивной мощности P_R. Эта часть мощности входного сигнала Р_вх = Р_А + P_R не передается на вход транзисторных ячеек, следовательно, не усиливается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по мощности К_УР. Значение К_УР находится в обратной зависимости от суммарного отклонения величин L_i и R_вх1i относительно средних значений

для которых и подбирается значение емкости С согласующего LC-звена. В заявляемом устройстве за счет выполнения условий формулы изобретения (5) на площади изолированных участков 8 к отдельным транзисторным ячейкам или группам ячеек подключены согласующие емкости C_k, соответствующие средним значениям и Поскольку суммарное отклонение L_i и R_вх1i относительно средних значений при этом уменьшится по сравнению с суммарным отклонением относительно


(знак "= " возможен лишь, когда все равны и все равны что запрещено формулой изобретения), коэффициент усиления по мощности
будет больше, чем в конструкции прототипа. Максимальное значение К_УР будет достигнуто в конструкции, показанной на фиг.1, при m=N, n_k=1, когда каждой транзисторной ячейке соответствует согласующее LC-звено, для которого площадь перекрытия обкладок конденсатора С определяется условиями (5).

ЛИТЕРАТУРА
1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы/Под ред. Я.А. Федотова. - M.: Сов. радио, 1973. - 336 с.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов/В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - M.: Радио и связь, 1989. - 144 с.

3. Электроника, 1973, 10, с.72-75 - прототип.

4. Петров Б. К., Булгаков О.М., Гуков П.О. Расчет эквивалентных индуктивностей входных цепей мощных СВЧ-транзисторов /Воронеж. гос. ун-т, Воронеж, 1992. 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.04.92, 1420 - В92.

5. Булгаков О.М. Потери мощности во входных цепях оконечных каскадов широкополосных мощных СВЧ транзисторных радиопередатчиков//Радиотехника. - 2000. - 9. - С.79-82.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: обкладка кондeнcaтopa, сoeдинeннaя c вxoдным электродом транзистора, разделена на изолированные участки. Площадь каждого участка выбирается из условия минимума на рабочей частоте транзистора реактивного сопротивления согласующего LC-звена отдельной транзисторной ячейки или группы ячеек, соединенных с данным участком обкладки конденсатора. Изобретение позволяет повысить коэффициент усиления по мощности ВЧ- и СВЧ-транзистора за счет снижения уровня реактивной мощности на входе внутреннего входного согласующего LC-звена транзистора. 2 ил.

Мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена N проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена с вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки, отличающийся тем, что первая обкладка конденсатора разделена на m изолированных участков, в пределах каждого из которых располагаются n ≥ 1 контактов проводников, соединяющих участок с первыми активными областями транзисторных ячеек, и соответствующее им количество контактов проводников, соединяющих участок с входным электродом подложки, а площади участков удовлетворяют условию

где d и ε - соответственно толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под участком;
ε_o ≈ 8,85•10^-12 Ф/м - электрическая постоянная в СИ;
f_o - рабочая частота транзистора;


k=1,..., m;
L_i - индуктивность соединения участка и i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком;
L_k', R_k' - соответственно индуктивность и сопротивление между контактами проводников, соединяющих k-й участок с транзисторными ячейками, и контактами проводников, соединяющих этот участок с входным электродом;
R_вx1i - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем хотя бы два значения L_k или два значения R_вx1k не равны друг другу.