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, 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.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, содержащая 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 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.

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 приводит 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 С_кэ коллектор - эмиттер. 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 [3] . 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, согласно изобретению балластный резистор разделен на участки, причем участки, контактирующие одной стороной с металлизацией области эмиттера, противоположной стороной контактируют с металлизацией площадки для присоединения проводника, а расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3.
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности, достигается за счет того, что разделение балластного резистора на отдельные участки позволяет уменьшить площадь резистора за счет наличия промежутков между участками и тем самым уменьшить его паразитную емкость, а уменьшение площади транзисторной структуры достигается за счет уменьшения длины резистора, так как наличие промежутков между участками резистивного слоя приводит к уменьшению ширины резистора и увеличению его погонного (на единицу длины) сопротивления.

Реализация требуемого сопротивления резистора R может быть осуществлена за счет вариации количеством и конфигурацией участков. Общее сопротивление резистора определяется как сопротивление параллельного соединения участков, контактирующих одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующих с металлизацией площадки для присоединения проводника

где R_j - сопротивления названных участков. Очевидно, величина R в этом случае будет больше, чем сопротивление сплошного резистора той же длины без промежутков. Поэтому реализация требуемого значения R в случае разделения резистора на участки 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.

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 изображены примерные варианты геометрии участков балластного резистора и места контакта их 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 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположены участки 7 балластного резистора, противоположные стороны которых контактируют с областями металлизации 4 и 5. На фиг.1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10. Для наглядности представления областей 2 и 3 участки металлизации 4 и 8 не показаны в пределах пунктирной линии. На фиг. 2 область контакта металлизации 4 с участками 7 балластного резистора сплошная. На фиг.1, 2 показано, что расстояния между смежными краями контактов соседних участков 7 с металлизацией 4 не превышают 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 за счет разделения его на участки 7 обеспечивает, во-первых, снижение проходной емкости С_кэ коллектор - эмиттер, 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 наличие промежутков между контактами участков 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, участки балластного резистора 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 [4], 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 встречнонаправленных вложенных 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 8 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 8, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т. е. 3σ. Таким образом, Δ = 8σ, а минимальная ширина фрагмента металлизации 4 в месте контакта с участками балластного резистора 7, как и ширина металлизации 8, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта участка 7 с металлизацией 4, расстояние между краями смежных участков 7 в местах контактов с металлизацией 4 должно 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 участков 7 с металлизацией 4-Δ/3.
Разделение балластного резистора на участки 11 дает возможность, за счет варьирования геометрическими параметрами участков (фиг.2), реализовать в широких пределах различные значения его сопротивления R без пропорционального изменения площади и паразитной емкости резистора, что позволяет частично компенсировать связанное с наличием балластного резистора снижение К_р, а также уменьшить длину резистора 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.-прототип.

3. Там же, с.11-20, 30-38.

4. 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. Балластный резистор разделен на участки, суммарная площадь которых меньше площади резистора, а расстояние между контактами соседних участков с металлизацией эмиттерной области не превышает трети шага мультипликации эмиттерной области. Реализация требуемых значений сопротивления резистора за счет вариации количеством и геометрическими параметрами участков обеспечивает уменьшение его длины 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, отличающаяся тем, что балластный резистор разделен на участки, причем участки, контактирующие одной стороной с металлизацией области эмиттера, противоположной стороной контактируют с металлизацией площадки для присоединения проводника, а расстояние между краями смежных участков в местах контактов с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3.