МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2003 года по МПК H01L29/70 

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

Известен мощный СВЧ-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с транзисторными структурами, коллекторные, базовые и эмиттерные области которых соединены с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерные области фрагментированы с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [1].

Недостатками такого транзистора являются неравномерное распределение мощности по транзисторным структурам и его плохая термическая устойчивость вследствие положительной обратной связи по теплу, приводящие к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзистора.

В другом мощном СВЧ-транзисторе каждая транзисторная структура снабжена балластным резистором из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, который одной своей стороной контактирует с металлизацией эмиттерной области транзисторной структуры, а противоположной стороной контактирует с металлизацией площадки для присоединения проводника, служащего для соединения эмиттерной области транзисторной структуры с одноименным электродом корпуса [2]. Это позволяет повысить однородность входных сопротивлений транзисторных структур и их температурную стабильность, тем самым повысив Р₁ и надежность транзистора. Увеличение сопротивлений балластных резисторов, приводящее к повышению P₁, влечет за собой снижение коэффициента усиления по мощности К_P и КПД транзистора. Поэтому сопротивления балластных резисторов принимают некоторое оптимальное значение, которое не исключает неравномерности разогрева транзисторных структур вследствие их неоднородного взаиморасположения, что ограничивает Р₁ транзистора в целом.

Увеличение проходной емкости "коллектор-эмиттер" и полной емкости коллектора за счет добавления к площади металлизации под потенциалом эмиттера над коллекторной областью площади балластного резистора, а также различия площадей резисторов вследствие разницы их сопротивлений препятствуют достижению максимального значения коэффициента усиления по мощности на основной рабочей частоте транзистора. Наличие балластных резисторов и увеличение их длины пропорционально их сопротивлениям относительно некоторого минимального значения для реализации величин R(i) приводит к увеличению площади транзисторных структур и транзистора в целом.

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_P связаны обратной зависимостью [3] . Поэтому увеличение С_КЭ приводит к снижению К_Р=P₁/P_BX; Р_ВХ - входная мощность транзистора. В конструкции прототипа сопротивление балластного резистора пропорционально его длине, или, с другой стороны, площадь балластного резистора пропорциональна величине его сопротивления. Таким образом, транзисторные структуры, у которых сопротивление балластных резисторов больше, имеют большие площади балластных резисторов и большие величины дополнительной емкости в составе С_КЭ и С_К, следовательно, имеют меньшие значения К_P, что приводит к снижению К_P транзистора в целом.

Кроме того, различие емкостей балластных резисторов приводит к различию емкостей С_К(i) транзисторных структур, что в свою очередь обуславливает несовпадение резонансных частот их выходных цепей с основной рабочей частотой транзистора f₀; L_вых - выходная индуктивность, образующая параллельный резонансный контур с С_К [4]. Несовпадение f_P(i) и f₀ приводит к недостижению выходной мощностью P₁(i) i-й транзисторной структуры на резонансной частоте своего максимального значения, следовательно, к уменьшению К_Р, так как Р₁ является суммой P₁(i), i=1,...,N.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения проходной емкости "коллектор-эмиттер", полной коллекторной емкости транзистора и уменьшения неоднородности полных коллекторных емкостей и размеров его транзисторных структур в отдельности, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора на основной рабочей частоте и уменьшена площадь транзистора.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном СВЧ-транзисторе, содержащем N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием Δ между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор с сопротивлением R(i), i=1,...,N, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, согласно изобретению, хотя бы в одном балластном резисторе имеются выемки, ширина которых в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, а площади S(i), S(k) резистивных слоев хотя бы двух балластных резисторов с сопротивлениями R(i)≥(R(k) (i, k∈{1, 2...,N}) удовлетворяют соотношению:
R(k)/R(i)≤(S(i)/S(k)≤R(i)/R(k) (1)
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности на основной рабочей частоте транзистора и уменьшение площади транзистора, 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, выполнение соотношения (1) позволяет уменьшить разницу площадей балластных резисторов под потенциалом эмиттера, тем самым компенсировать разницу коллекторных емкостей транзисторных структур, следовательно, достичь лучшего совпадения резонансных частот коллекторных цепей транзисторных структур f_Р(i) с основной рабочей частотой транзистора f₀, а увеличение погонного (на единицу длины) сопротивления балластных резисторов за счет наличия в них выемок позволяет уменьшить длину балластных резисторов и тем самым уменьшить площади соответствующих транзисторных структур.

Реализация требуемых сопротивлений резисторов R(i) может быть осуществлена за счет вариации количеством и конфигурацией выемок без увеличения длины резистора пропорционально увеличению R(i) относительно некоторого минимального значения в их ряду для данного транзистора. Очевидно, наличие выемок в резисторе приводит к уменьшению ширины резистора, поэтому величина его погонного сопротивления ρ(i)=R(i)/l(i), где l(i) - длина резистора будет в этом случае больше, чем ρ(i) сплошного резистора без промежутков. Следовательно, реализация требуемого значения R(i) при наличии в резисторе 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. При изменении R(i) в небольших пределах (например, не более чем в два раза) l(i) может быть фиксированной величиной, и максимальное уменьшение площади транзистора будет при равенстве всех l(i) некоторому минимальному значению, соответствующему минимальному сопротивлению среди всех R(i).

Условие непревышения шириной выемки в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера трети величины Δ обеспечивает гальванический контакт с балластным резистором каждого фрагмента области эмиттера.

Условие (1) позволяет компенсировать увеличение площади балластного резистора с ростом его сопротивления. В случае равенства сопротивлений: R(i)= R(k) условие (1) приводит к равенству площадей резисторов S(i)=S(k), что обеспечивает равенство дополнительных емкостей "коллектор-эмиттер" транзисторных структур за счет балластных резисторов, следовательно, равенство полных коллекторных емкостей транзисторных структур и равенство f_Р(i)=f₀. Если R(i)>R(k), условие (1) позволяет уменьшить отклонение f_Р(i) от f₀ и тем самым приблизить К_Р транзистора к максимальному для данной конструкции значению, которое будет иметь место в случае S(i)/S(k)=1, возможном быть реализованным в рамках условия (1).

На фиг.1 изображен заявляемый мощный СВЧ-транзистор, вид сверху. На фиг. 2 отдельно показана транзисторная структура.

Мощный СВЧ-транзистор состоит из основания корпуса 1, на котором расположены электроды: входной 2, нулевого потенциала 3 и коллекторный 4. Для данного примера исполнения транзистора 2 и 3 - соответственно электроды базы и эмиттера. Полупроводниковая подложка 5 является в данном примере областью коллектора для всех транзисторных структур. Каждая транзисторная структура включает в свой состав область базы 6, в пределах которой размещены фрагменты области эмиттера 7, контактирующие с металлизацией области эмиттера 8. Между металлизацией 8 и металлизацией 9 площадки для присоединения эмиттерного проводника 10 расположен балластный резистор 11, противоположные стороны которых контактируют с областями металлизации 8 и 9. Количество выемок 12 в балластных резисторах и их геометрические параметры выбраны таким образом, чтобы реализовать сопротивления R(i) и при этом удовлетворить условию (1) и обеспечить достижение требуемого технического результата. На фиг.2 показано, что ширина выемок 12 в местах контактов балластного резистора 11 с металлизацией 8 не превышает трети расстояния Δ между центрами фрагментов 7. На фиг. 2 также показана металлизация 13 области базы, через которую осуществляется контакт области 6 с металлизацией 14 площадки для присоединения базового проводника 15. Для наглядности представления областей 2 и 3 участки металлизации 4 и 8 не показаны в пределах пунктирной линии. На фиг.1 металлизация 8 в целях упрощения изображения над областью эмиттера и металлизация 13 над областью базы 6 не показана, а металлизация 8 в месте контакта с резистором 11 показана сплошной.

При работе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности с ОБ уменьшение площади балластного резистора 11 под потенциалом эмиттера за счет наличия выемок 12 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 в местах контактов резистора 11 с металлизацией 8, непревышение шириной этих промежутков трети минимального расстояния Δ между центрами фрагментов 7 обеспечивает включение всех без исключения фрагментов 7 в схему каскада через металлизацию 8, балластный резистор 11, металлизацию 9, проводник 10 и электрод 3 (или электрод 2 в схеме с ОБ) даже при фрагментации металлизации 8 (фиг.2). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [4,5], т.е. максимальную плотность размещения фрагментов 7 в пределах области 6, расстояние Δ определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием σ между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. В типовой конструкции мощного СВЧ-транзистора металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречно направленных вложенных одна в другую гребенки [1] (фиг.2). Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле с областями базы и эмиттера (на фиг.2 не показаны). Величина Δ складывается из: удвоенного расстояния от центра фрагмента 7 до края контактного окна (2•σ/2 = σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 8 (2•σ = 2σ), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 8 до края фрагмента металлизации области базы 13 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 13, 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 8 в месте контакта с балластным резистором 11, как и ширина фрагмента металлизации 13, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта резистора 11 с металлизацией 8 ширина выемок 12 в местах контактов резистора 11 с металлизацией 8 должна быть меньше ширины фрагмента металлизации 8, 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 11 с металлизацией 8-Δ/3.

Выполнение условия (1) уменьшает разницу площадей резисторов 11 под потенциалом эмиттера по сравнению с разницей аналогичных площадей в конструкции прототипа, тем самым уменьшая разницу дополнительных емкостей "коллектор-эмиттер" за счет наличия в конструкции транзистора балластных резисторов с различными сопротивлениями. Это приводит к выравниванию значений С_К транзисторных структур, лучшему совпадению резонансных частот их коллекторных цепей с основной рабочей частотой транзистора f₀ и в итоге повышению К_Р на частоте f₀ за счет более эффективного сложения выходных мощностей транзисторных ячеек в общей нагрузке.

Наличие в резистивном слое балластного резистора 11 выемок 12 дает возможность, за счет варьирования геометрическими параметрами выемок (фиг.2) реализовать в широких пределах различные значения сопротивлений R(i) без пропорционального увеличения соответствующих длин l(i), т.е. расстояния между смежными краями металлизации 8 и 9, и таким образом без пропорционального изменения площади и паразитной емкости резистора. В итоге это позволяет частично компенсировать связанное с наличием балластных резисторов и разницы их сопротивлений R (i) снижение К_Р, а также уменьшить длины резисторов и, тем самым уменьшить площади транзисторных структур и транзистора в целом без ухудшения его 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.107.

3. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В. И. Никитин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. М.: Радио и связь, 1989, с.11-20, 30-38.

4. Там же, с.11-12.

5. Там же, с.83.

Использование: полупроводниковая электроника. Мощный СВЧ-транзистор содержит N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя 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 балластных резисторах сделаны выемки, ширина которых в местах контакта резистора с металлизацией эмиттерной области не превышает трети шага мультипликации эмиттерной области. Реализация требуемых значений сопротивлений резисторов за счет вариации количества и геометрических параметров выемок обеспечивает уменьшение неоднородности транзисторных структур, а также уменьшение их размеров вследствие уменьшения минимальной длины и разницы в длинах и площадях резисторов. Техническим результатом изобретения также является уменьшение проходной емкости "коллектор-эмиттер" и полной коллекторной емкости транзистора. 2 ил.

Мощный СВЧ-транзистор, содержащий N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием Δ между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор с сопротивлением R(i), i= 1, . . . , N, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, отличающийся тем, что хотя бы в одном балластном резисторе имеются выемки, ширина которых в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, а площади S(i), S(k) резистивных слоев хотя бы двух балластных резисторов с сопротивлениями R(i) ≥ R(k) (i, k ∈ { 1, 2, . . . , N} ) удовлетворяют соотношению:
R(k)/R(i) ≤ S(i)/S(k) ≤ R(i)/R(k).