МОЩНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ 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- широкополосных 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 активными областям электродами подложки: входным, нулевого потенциала и коллекторным [1].

Недостатком такого транзистора является уменьшение относительной ширины полосы рабочих частот Δf/f₀, где Δf = f_вг-f_нг - ширина полосы рабочих частот; f₀ - центральная рабочая частота; f_вг - f_нг - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы Δf, по мере увеличения f₀ и выходной мощности P₁. Это связано с тем, что с увеличением Р₁ 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; Р_вх - входная мощность, а также с тем, что невозможно 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-звена), при f₀≥300 МГц и P₁≥40Вт 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, приводит к различию индуктивностей L_i согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек в отдельности [4], увеличивает неравномерность коэффициента усиления по мощности в полосе рабочих частот K_УР(f) (f∈Δf), потери входной мощности Р_вх в полосе Δf [5] и препятствует достижению максимальной мощности Р₁ и коэффициента усиления по мощности транзистора в полосе его рабочих частот Δf. Согласно [5]
К_УР(f)=К_РСЦ(f)(К_РТ(f),
где К_РТ(f) - 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. ); К_РСЦ (f) - коэффициент передачи мощности входной согласующей цепью транзистора, получаемый усреднением коэффициентов передачи мощности соединенных параллельно LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек

i= 1, . . . , N; N - количество транзисторных ячеек; R_Г - сопротивление входного эквивалентного генератора; Re{Z_li(f₀)}, Im{Z_li(f₀)} - активная и реактивная составляющие импеданса входного согласующего LC-звена i-й транзисторной ячейки. Из-за различия индуктивностей L_i максимумы К_РСЦi (f) находятся на различных резонансных частотах f_0i. Неупорядоченное расположения максимумов увеличивает неравномерность результирующей характеристики К_РСЦ (f), что в итоге снижает P₁ и К_УР в полосе Δf.
Заявляемое изобретение предназначено для повышения равномерности частотной зависимости коэффициента передачи мощности внутреннего входного согласующего LC-звена мощного ВЧ- и СВЧ-транзистора в полосе его рабочих частот Δf, за счет равномерного распределения в полосе Δf резонансных максимумов внутренних входных согласующих LC-звеньев отдельных N транзисторных ячеек или m<N групп транзисторных ячеек, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора и его КПД.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном широкополосном 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; ε₀ ≈ 8,85•10^-12Ф/м - электрическая постоянная в СИ;

f_вг, f_нг - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот 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 отношение R_вxl/L_k является монотонно возрастающей функцией аргумента k.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления транзистора и повышение его КПД, достигается за счет того, что при выполнении условия (2) повышается равномерность характеристики К_РСЦ(f) и снижаются потери входной мощности P_вx в согласующей цепи транзистора. Для достижения предельно максимального значения (1) Мах{К_РСЦi(f)}=1 необходимо, чтобы
Im{Z_li(f)} = 0; (3а)
Re{Z_li(f)} = R_Г, (3б)
где


Здесь i= 1, ..., N; R_вхli(f) - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки; С - емкость конденсатора внутреннего согласующего LC-звена. Так как обкладки конденсатора - общие для LC-звеньев всех транзисторных ячеек, С не зависит от i. Ввиду различия L_i и R_вхli, обусловленного взаимоиндукцией входных контуров транзистора, условие (3б) может не выполняться для всех i=1,..., N. Обобщением условий (3а), (3б) является
Re{Z_li(f)} = max [Re{Z_li(f)}](3в)
Приравняв правую часть (4) нулю, получим

где f_i - резонансная частота согласующего LC-звена i-й транзисторной ячейки. Аналогичным будет решение уравнения, полученного приравниванием нулю производной по С правой части (5) (условие максимума функции Re{Z_li(C)}). Максимально равномерной зависимость К_РСЦ (f) может быть лишь, когда максимумы К_РСЦi (f)
а) равномерно распределены в полосе Δf;
б) стремятся к 1, т.е. Re{Z_li(f)}-->NR_Г.

Аналитической записью условия а) является (2), где а величины R_вxlk и L_k учитывают сопротивление и индуктивность соответствующих участков обкладки конденсатора L'_k и R'_k между контактами соединительных проводников. Для реализации (2) первая обкладка конденсатора должна быть разделена на m (по числу групп ячеек) участков. Из условия б) согласно [5] для n = 1, m = N:

а для n>1:
,
откуда

т.е. резонансные частоты f_k LC-звеньев отдельных групп ячеек должны быть тем больше, чем больше отношение R_вxlk/L_k. Поскольку по условию формулы изобретения f_k - монотонно возрастающая функция k, то и отношение R_вxlk/L_k должно быть монотонно возрастающей функцией k.

Таким образом, осуществление изобретения обеспечивает максимально равномерную частотную зависимость коэффициента передачи мощности входной согласующей цепью транзистора К_РСЦ (f) при стремлении уровня К_РСЦ (f) к единице в полосе рабочих частот. При известном N равномерность К_РСЦ (f) повышается при m-->N. Поскольку зависимость К_РСЦ (f) носит колебательный характер относительно некоторого значения К₀, и ограничена: К_РСЦ (f)≤1, уменьшение отклонения |K_РСЦ(f)-K₀| будет приближать К₀ к 1, поэтому потери мощности во входной согласующей цепи транзистора [6]

при осуществлении изобретения будут уменьшаться, а коэффициент усиления по мощности

и полный КПД транзисторного каскада

будут увеличиваться. Здесь Р_к - тепловая мощность, рассеиваемая в коллекторе.

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≥l.

Мощный широкополосный 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 R¹ _k и индуктивность L¹ _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, вызванного взаимоиндукцией контуров, образованных монтажно-соединительными элементами, в полосе рабочих частот транзистора Δf имеют место потери входной мощности, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по мощности К_УР и КПД транзистора. Величина ΔP определяется неравномерностью частотной зависимости коэффициента передачи мощности внутренним входным согласующим LC-звеном транзистора К_РСЦ (f). В заявляемом устройстве, за счет разделения первой обкладки конденсатора на изолированные участки 8 и выполнения условий (2) на площади участков, к отдельным транзисторным ячейкам или группам ячеек подключены согласующие емкости С_k, повышающие равномерность распределения резонансных частот f_k LC-звеньев в полосе Δf. Поскольку увеличение резонансной частоты сопровождается увеличением отношения R_вxlk/L_k, это приводит к тому, что равномерно распределенные в полосе Δf резонансные максимумы К_РСЦ (f), располагаются примерно на одном уровне, близком к единице. За счет этого повышается равномерность К_РСЦ (f), следовательно, снижается ΔP, что обеспечивает увеличение К_УР и КПД транзистора. Максимальные значения К_УР и КПД реализуются 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 (2).

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

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

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 конденсатора, соединенная с входным электродом транзистора, разделена на изолированные участки. Площадь каждого участка выбирается из условий равномерного распределения в полосе рабочих частот транзистора максимумов коэффициентов передачи мощности согласующих LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек или групп ячеек, соединенных с данным участком обкладки конденсатора, а также выравнивания значений этих максимумов. Изобретение позволяет повысить коэффициент усиления по мощности и КПД широкополосного ВЧ- и СВЧ-транзистора за счет снижения потерь мощности во входной согласующей цепи транзистора. 2 ил.

Мощный широкополосный 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 со 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;
ε₀ ≈ 8,85•10^-12Ф/м - электрическая постоянная в СИ;

f_вг, f_нг - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот 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-ой транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем отношение R_вхlk/L_k является монотонно возрастающей функцией аргумента k.