МОЩНАЯ СВЧ-ТРАНЗИСТОРНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2003 года по МПК H01L29/70 

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных СВЧ-полупроводниковых приборов.

Известна мощная СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, а также балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией эмиттерной области, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, служащего для соединения эмиттерной области транзисторной структуры с одноименным электродом корпуса [1]. Наличие балластного резистора позволяет повысить входное сопротивление транзисторной структуры и улучшить его температурную стабильность, тем самым повысив ее выходную мощность P₁ и надежность.

Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром, что приводит к недостижению максимального значения P₁.

В другой транзисторной структуре [2] балластный резистор имеет непрямоугольную форму, что обеспечивает подключение к различным фрагментам или группам фрагментов области эмиттера различных сопротивлений с целью увеличения уровня рассеиваемой мощности в областях транзисторной структуры с лучшими условиями отвода тепла и уменьшения этого уровня в областях транзисторной структуры с худшими условиями отвода тепла. Изменение сопротивления балластного резистора по его ширине позволяет повысить равномерность разогрева транзисторной структуры и за счет этого увеличить P₁.

Недостатком такой транзисторной структуры является снижение коэффициента усиления по мощности К_p=P₁/Р_вх (Р_вх - входная мощность) за счет увеличения паразитной проходной емкости эмиттер-коллектор С_КЭ и полной емкости коллектора С_К. Балластный резистор конструктивно располагается на изолирующем окисле над областью коллектора, поэтому, наряду с емкостью металлизации для присоединения эмиттерного проводника, его емкость входит в состав паразитной проходной емкости коллектор-эмиттер С_КЭ. Емкость С_КЭ шунтирует активное входное сопротивление транзистора в схеме с общей базой (ОБ), что приводит к передаче части входной мощности через С_КЭ без усиления непосредственно в коллекторную цепь транзистора. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) через С_КЭ часть выходной мощности попадает в общий вывод, минуя нагрузку. Независимо от схемы включения транзистора (с ОБ или ОЭ) емкость балластного резистора входит в состав полной коллекторной емкости С_К, с которой коэффициент передачи тока h₂₁ и коэффициент усиления по мощности связаны обратной зависимостью [3]. Поэтому увеличение С_КЭ приводит к снижению К_р.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура [4], в металлизации площадок для присоединения проводников которой сделаны выемки, разделяющие площадки на изолированные фрагменты. При монтаже проводника часть фрагментов оказывается изолированной от потенциала эмиттера, что приводит к уменьшению паразитной емкости С_КЭ и увеличению К_р.

Увеличение проходной емкости коллектор-эмиттер и полной емкости коллектора за счет добавления к площади металлизации под потенциалом эмиттера над коллекторной областью площади балластного резистора препятствует достижению максимального значения коэффициента усиления по мощности. Наличие балластного резистора, а также увеличение его длины относительно некоторого среднего значения, пропорционального сопротивлению резистора, приводят к увеличению площади транзисторной структуры.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения проходной емкости коллектор-эмиттер и полной коллекторной емкости транзистора и длины балластного резистора, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности и уменьшены размеры транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в мощной СВЧ-транзисторной структуре, содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, в которой имеются выемки, причем сопротивление между металлизацией области эмиттера и эмиттерным проводником характеризуется некоторым законом распределения R(x) по ширине балластного резистора, x∈[0; h], h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера, согласно изобретению, от края контактной площадки, контактирующего с балластным резистором, начинается N выемок, распределение которых у этого края характеризуется некоторой функцией П(j) = H(Δr_j)/Δr_j, где Δr_j - длина j-го отрезка между серединами соседних выемок в местах их перекрытия с балластным резистором, j=1,...N-1, причем начало 1-го и конец (N-1)-го отрезков совпадают с противоположными краями контактной площадки в местах их перекрытия с балластным резистором, H(Δr_j) - ширина j-го промежутка между соседними выемками, а знак приращения функции П(j):ΔП(j) = П(j+1)-П(j) совпадает со знаком приращения функции R(x) на соответствующем интервале x или равен нулю.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности, достигается за счет того, что наличие выемок на краю металлизации контактной площадки, контактирующем с балластным резистором, и их распределение в соответствии с требуемым законом R(x) приводит к уменьшению длины балластного резистора, необходимой для реализации R(x), следовательно - к уменьшению его площади и обусловленной наличием балластного резистора составляющей проходной емкости С_КЭ и полной коллекторной емкости С_К. Кроме того, уменьшение длины балластного резистора приводит к уменьшению площади транзисторной структуры в целом.

На фиг. 1 изображена заявляемая мощная СВЧ-транзисторная структура, вид сверху. На фиг.2 изображены балластный резистор и места контакта его сторон с металлизацией области эмиттера и площадки для присоединения эмиттерного проводника.

Мощная СВЧ-транзисторная структура размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией области эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией площадки 5 для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с областями металлизации 4 и 5. Контакт проводника 6 с площадкой 5 выполнен в виде распределенной области 8, площадь которой превышает площадь сечения проводника 6. На фиг.1 также показана металлизация 9 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией площадки 10 для присоединения базового проводника 11. В металлизации площадок 5 и 10 выполнены выемки 12, за счет которых уменьшены паразитные емкости этих контактных площадок. Для наглядности представления областей 2 и 3 участки металлизации 4 и 9 не показаны в пределах пунктирной линии. На фиг.2 дополнительно показаны расстояния Δr_j и H(Δr_j).
При работе мощной СВЧ-транзисторной структуры в составе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности с ОБ по проводнику 6 и далее по металлизации площадки 5, балластному резистору 7, металлизации области эмиттера 4 протекает входной эмиттерный ток. При этом балластный резистор 7 и участки металлизации 5 и 4 образуют распределенный резистор, контактирующий одной стороной с проводником 6, а противоположной стороной - с фрагментами области эмиттера 3 (фиг.1). Такой резистор характеризуется некоторым законом распределения сопротивления по ширине R(x), x∈[0;h], h - ширина балластного резистора 7 (фиг.2), так что между i-ой группой фрагментов 3, объединенных соответствующим фрагментом металлизации 4 (i=1,...,n, фиг.2, нумерация выделена курсивом), и проводником 6 оказывается подключен резистор с сопротивлением
R(i)=R₄(i)+R₅(i)+R₇(i), (1)
где R₄(i) - сопротивление участка i-го фрагмента металлизации 4 от контакта с балластным резистором 7 до контакта с фрагментом 3 области эмиттера; R₅(i) - сопротивление за счет растекания эмиттерного тока по металлизации 5 от контакта проводника 6 (области 8) до балластного резистора 7; R₇(i) - сопротивление балластного резистора 7. Так как сопротивление R₄(i) пренебрежимо мало по сравнению с величинами других слагаемых (1) и не зависит от i,
R(i)≈R₅(i)+R₇(i). (1а)
Очевидно, зависимость сопротивлений R₅ и R₇ от i может быть эквивалентно заменена на зависимость от х: R₅(x), R₇(x). Зависимость R₇(x) в прототипе реализуется за счет соответствующей пропорциональной зависимости длины резистивного покрытия от х: l(х). Наличие в металлизации 5 выемок 12, начинающихся от края контактной площадки, контактирующего с балластным резистором 7, и распределение их в соответствии с некоторой функцией П(j) согласно изобретению приводит к следующему:
1. увеличиваются сопротивления R₅(i) из-за снижения эффективной ширины растекания тока по металлизации 5 вблизи края резистора 7;
2. распределение R₅(x) становится в большей степени подчинено функции R(x);
3. в сопротивлении балластного резистора R₇(x) появляется составляющая R_pаст(х) за счет растекания тока от промежутков между выемками 12 по резистивному покрытию, что приводит к увеличению R₇(i);
4. распределение R_раст(x) за счет согласования функции П(j) с R(x) согласовано с требуемым законом распределения сопротивления R(x) (или R(i)).

Следствия 1 и 3 позволяют уменьшить среднюю длину балластного резистора, а следствия 2 и 4 позволяют уменьшить неоднородность l(х), а именно разницу между минимальной и максимальной длиной резистора, обусловленную необходимостью реализации заданной функции R(x), т.е. уменьшить максимум l(х). Таким образом, изобретение позволяет уменьшить среднюю длину балластного резистора, причем максимальная его длина уменьшается в большей степени, чем минимальная, что в итоге приводит к уменьшению площади транзисторной структуры, а также - уменьшению паразитной емкости коллектор-эмиттер и полной емкости коллектора за счет наличия балластного резистора, а следовательно, к увеличению коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры.

ЛИТЕРАТУРА
1. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В. И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.106.

2. Там же, С.107.

3. Там же, С.11-20,30-38.

4. Заявка Японии 63-136637, МПК H 01 L 21/60, 1988.

Использование: в полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: мощная СВЧ-транзисторная структура содержит области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, в которой имеются выемки, плотность распределения которых по ширине резистора согласована с функцией распределения сопротивления R(x) между металлизацией области эмиттера и эмиттерным проводником по ширине балластного резистора. Техническим результатом изобретения является уменьшение проходной емкости коллектор-эмиттер и полной коллекторной емкости транзистора и длины балластного резистора, увеличение коэффициента усиления по мощности и уменьшение размеров транзисторной структуры. 2 ил.

Мощная СВЧ-транзисторная структура, содержащая области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, в которой имеются выемки, причем сопротивление между металлизацией области эмиттера и эмиттерным проводником характеризуется некоторым законом распределения R(x) по ширине балластного резистора, x∈[0; h], h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера, отличающаяся тем, что от края контактной площадки, контактирующего с балластным резистором, начинается N выемок, распределение которых у этого края характеризуется некоторой функцией
П(j) = H(Δr_j)/Δr_j,
где Δr_j - длина j-го отрезка между серединами соседних выемок в местах их перекрытия с балластным резистором, j= 1, . . . , N-1, причем начало 1-го и конец (N-1)-го отрезков совпадают с противоположными краями контактной площадки в местах их перекрытия с балластным резистором;
H(Δr_j) - ширина j-го промежутка между соседними выемками,
а знак приращения функции П(j):ΔП(j) = П(j+1)-П(j) совпадает со знаком приращения функции R(x) на соответствующем интервале х или равен нулю.