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

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, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [1].

Недостатками такой транзисторной структуры являются неравномерное распределение мощности по площади структуры и термическая неустойчивость вследствие сильной положительной обратной связи по теплу, приводящие к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзисторной структуры.

Другая транзисторная структура содержит дополнительно балластный резистор из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, служащего для соединения фрагментов эмиттерной области транзисторной структуры с одноименным электродом корпуса [2]. Это позволяет повысить входное сопротивление транзисторной структуры и улучшить ее температурную стабильность, тем самым повысив 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 снижению P₁.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура [3] , балластный резистор которой 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.

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.

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 К_р связаны обратной зависимостью [4] . Поэтому увеличение С_кэ приводит к снижению К_р=P₁/Р_вх; Р_вх - входная мощность 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 известной мощной СВЧ-транзисторной структуре, содержащей области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием Δ между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, причем усредненная по ширине
(Δx_j = x_j-x_j-1(x_j∈[0; h], j∈{1, 2, ..., N};
x₀=0, x_N=h, h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера) участков балластного резистора плотность распределения проводимости резистора по его ширине σ(x), x∈[0; h] характеризуется некоторым законом распределения

а расстояние между смежными краями металлизации области эмиттера и металлизации площадки для присоединения эмиттерного проводника характеризуется некоторой функцией l(х), согласно изобретению в балластном резисторе имеются выемки, ширина которых в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, а максимальные и минимальные значения усредненных по участкам Δx_j расстояний l(х):

удовлетворяют соотношению:

где Max{∑(Δx_j)}, min{∑(Δx_j)} - соответственно максимальное и минимальное значение функции ∑(Δx_j), x_j-1, x_j - ближайшие друг к другу по ширине балластного резистора центры краев выемок, ближайших к краю металлизации области эмиттера, или в месте контакта балластного резистора с металлизацией области эмиттера.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности, достигается за счет того, что наличие выемок в балластном резисторе позволяет уменьшить площадь верхней обкладки конденсатора, образованного резистором и областью коллектора, на величину площади выемок и тем самым уменьшить паразитные емкости С_кэ и С_к, а уменьшение площади транзисторной структуры достигается за счет того, что увеличение погонного (на единицу длины) сопротивления балластного резистора за счет наличия в его резистивном слое выемок и его вариация по ширине резистора изменением количества и геометрических параметров выемок позволяют уменьшить длину балластного резистора.

Реализация требуемого сопротивления резистора R и закона распределения его проводимости по ширине ∑(Δx_j) может быть осуществлена за счет вариации количеством и конфигурацией выемок, а также плотностью распределения их площади по ширине резистора. Общее сопротивление резистора определяется:

Очевидно, наличие выемок в пределах какого-либо k-го участка балластного резистора шириной Δx_k будет приводить к уменьшению проводимости этого участка

Величина R в этом случае будет больше, чем сопротивление сплошного резистора той же длины без промежутков. Следовательно, реализация требуемого значения R при наличии в резистивном слое выемок будет приводить к уменьшению длины резистора, т.е. расстояния между смежными краями металлизации области эмиттера и металлизации площадки для присоединения проводника, и тем самым - к уменьшению площади транзисторной структуры. Варьируя количество и геометрические параметры выемок в пределах различных участков балластного резистора, можно реализовать требуемый закон распределения усредненной по ширине участков проводимости резистора ∑(Δx_j), обеспечивающий повышение равномерности разогрева транзисторной структуры, а также удовлетворить требования условия (1), обеспечивающие дополнительное уменьшение длины балластного резистора и площади транзисторной структуры.

Условие непревышения расстоянием между смежными краями соседних участков трети величины Δ обеспечивает гальванический контакт с балластным резистором каждого фрагмента области эмиттера.

На фиг. 1 изображена заявляемая мощная СВЧ-транзисторная структура, вид сверху. На фиг.2 схематично изображен 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. В резисторе 7 выполнены выемки 8. На фиг.1 также показана металлизация 9 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 10 площадки для присоединения базового проводника 11. Для наглядности представления областей 2 и 3 участки металлизации 4 и 9 не показаны в пределах пунктирной линии. На фиг. 2 область контакта металлизации 4 с балластным резистором 7 - сплошная. На фиг.1, 2 показано, что ширина выемок 12 в местах контактов резистора 7 с металлизацией 4 не превышает трети расстояния Δ между центрами фрагментов области эмиттера.

При работе мощной СВЧ-транзисторной структуры в составе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности с ОБ уменьшение площади балластного резистора 7 под потенциалом эмиттера за счет наличия выемок 8 обеспечивает, во-первых, снижение проходной емкости "коллектор-эмиттер" С_кЭ, в результате чего меньшая по сравнению с прототипом часть входной мощности будет передаваться через С_кэ в выходную цепь без усиления, а во-вторых, будет уменьшена полная емкость коллектора С_к. Оба этих фактора обеспечивают повышение коэффициента усиления по мощности К_р. В схеме с ОЭ к увеличению К_р будет приводить второй из названных факторов, а также уменьшение части выходной мощности, попадающей через С_кэ в общий вывод схемы усилительного каскада, минуя нагрузку.

Несмотря на возможное наличие промежутков между контактами участков резистора 7 с металлизацией 4, непревышение шириной этих промежутков трети минимального расстояния Δ между центрами фрагментов 3 обеспечивает включение всех без исключения фрагментов 3 в схему каскада через металлизацию 4, балластный резистор 7, металлизацию 5, проводник 6 и далее через соответствующий электрод корпуса транзистора даже в случае фрагментации металлизации 4 в месте контактов с участками 7 (фиг.1). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [5], т.е. максимальную плотность размещения фрагментов 3 в пределах области 2, расстояние Δ определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием σ между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. На фиг. 1 металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречнонаправленные, вложенные одна в другую гребенки. Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле (на фиг. 1 не показаны) с областями базы и эмиттера. Величина Δ складывается из удвоенного расстояния от центра фрагмента 3 до края контактного окна (2•σ/2 = σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 4(2•σ = 2σ), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 4 до края фрагмента металлизации 9 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 9, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т.е. 3σ. Таким образом, Δ = 8σ, a минимальная ширина фрагмента металлизации 4 в месте контакта с балластным резистором 7, как и ширина металлизации 9, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта резистора 7 с металлизацией 4 ширина выемок 8 в местах контактов резистора 7 с металлизацией 4 должна быть меньше ширины фрагмента металлизации, т.е. 3σ. Выразив это расстояние через Δ, как более общий конструктивный параметр по сравнению с σ, получим 3Δ/8, а с небольшим запасом для обеспечения перекрытия резистора 7 с металлизацией 4-Δ/3.
Наличие в резистивном слое балластного резистора 7 выемок 8 дает возможность за счет варьирования геометрическими параметрами выемок (фиг.2) реализовать в широких пределах различные значения его сопротивления R без пропорционального изменения длины, площади и паразитной емкости резистора и необходимый закон распределения проводимости по ширине резистора ∑(Δx_j) без обратно пропорционального изменения соответствующей средней длины участков резистора относительно некоторого минимального значения min{L(Δx_j)}, приводящего к увеличению площади и паразитной емкости резистора. Это позволяет частично компенсировать связанное с наличием балластного резистора снижение К_р, а также уменьшить длину резистора, в том числе удовлетворив требованию условия (1), и тем самым уменьшить площадь транзисторной структуры без ухудшения ее энергетических характеристик.

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. - С. 106.

3. Там же, с.107 - прототип.

4. Там же, с.11-20, 30-38.

5. Там же, с.83.

Использование: полупроводниковая электроника. Сущность изобретения: мощная СВЧ-транзисторная структура содержит области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника. В балластном резисторе сделаны выемки, ширина которых в местах контакта резистора с металлизацией эмиттерной области не превышает трети шага мультипликации эмиттерной области. Реализация требуемого значения сопротивления резистора и заданного закона изменения сопротивления по ширине резистора за счет вариации количеством и геометрическими параметрами выемок, а также плотностью распределения площади выемок по ширине резистора в соответствии с условием на средние длины и проводимости участков резистора обеспечивает уменьшение длины балластного резистора и тем самым - уменьшение площади транзисторной структуры. Техническим результатом изобретения также является уменьшение проходной емкости "коллектор-эмиттер" и полной коллекторной емкости транзистора. 2 ил.

Мощная СВЧ-транзисторная структура, содержащая области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием Δ между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, причем усредненная по ширине Δx_j = x_j-x_j-1(x_j∈[0; h], j∈{1, 2, ..., N}; x₀= 0; x_N= h; h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера) участков балластного резистора плотность распределения проводимости резистора по его ширине σ(x), x∈[0; h], характеризуется некоторым законом распределения

а расстояние между смежными краями металлизации области эмиттера и металлизации площадки для присоединения эмиттерного проводника характеризуется некоторой функцией l(х), отличающаяся тем, что в балластном резисторе имеются выемки, ширина которых в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, а максимальные и минимальные значения усредненных по участкам Δх_j расстояний l(х): удовлетворяют соотношению

где Max{∑(Δx_j)}, min∑(Δx_j)} - соответственно максимальное и минимальное значение функции ∑(Δx_j, x_j-1, x_j - ближайшие друг к другу по ширине балластного резистора центры краев выемок, ближайших к краю металлизации области эмиттера, или в месте контакта балластного резистора с металлизацией области эмиттера.