МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2004 года по МПК H01L29/70 

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, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера, участки контактной металлизации которых соединены с соответствующими им электродами корпуса, причем для соединения с электродами корпуса контактной металлизации, как минимум, областей базы и эмиттера каждой структуры, используются проводники, присоединяющимся к специальным площадкам на лицевой поверхности подложки, контактирующим с соответствующими участками контактной металлизации [1].

Недостатком такого транзистора является паразитная емкость площадок для присоединения эмиттерных и базовых проводников, приводящая к снижению коэффициента усиления по мощности К_р транзистора [2].

Наиболее близким по совокупности признаков является мощный СВЧ-транзистор, содержащий основание с электродами, на котором размещена полупроводниковая подложка с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, причем хотя бы одна из площадок, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины металлизации [3]. Выемки могут разделять площадку на отдельные участки, часть которых после присоединения проводника оказывается изолированными от верхней обкладки паразитного конденсатора (нижнюю обкладку образует область коллектора под площадкой). Кроме того, уменьшение паразитной емкости площадки достигается за счет исключения из ее площади суммарной площади выемок.

Различие резонансных частот выходных цепей отдельных транзисторных ячеек, обусловленное различием индуктивностей этих цепей вследствие взаимоиндукции рабочих токов транзистора, протекающих по проводникам, соединяющим металлизацию активных областей транзисторных ячеек с электродами подложки [4], препятствует достижению максимального коэффициента усиления по мощности транзистора на его рабочей частоте f₀.

Выходная цепь i-й транзисторной ячейки из их общего количества N (фиг.1) образована последовательно соединенными индуктивностью коллекторного вывода L_кi (индуктивностью соединения коллекторной области ячейки с коллекторным электродом основания), полной коллекторной емкостью С_к ячейки и индуктивностью общего вывода L_oi (индуктивностью соединения электрода общего вывода - например, для транзистора, работающего в составе усилителя мощности по схеме с общей базой (ОБ), это будет базовый электрод, - с металлизированной площадкой соответствующей активной области ячейки - базовой в схеме с ОБ: индуктивность L_Бi на фиг.1). Ввиду однородности конструктивно-технологических параметров транзисторных ячеек, значения коллекторной емкости С_к, в состав которой входят и емкости площадок эмиттерной и базовой металлизации [5], одинаковы для всех ячеек и не зависят от их порядкового номера i. Взаимоиндукция выходных контуров и их неодинаковое пространственное взаиморасположение приводят к различию значений L_oi, а в конструкциях, где для соединения коллекторных областей ячеек с коллекторным электродом корпуса используются проводники, - и к различию значений L_кi. Таким образом, резонансные частоты выходных цепей транзисторных ячеек

где L_{вых i}=L_кi+L_oi - полная индуктивность входного контура i-й транзисторной ячейки (в схеме с ОБ, фиг.1, L_{вых i}=L_Ki+L_Бi) будут различаться между собой и отличаться от основной рабочей частоты транзистора f₀. Результатом является недостижение выходной мощностью транзистора Р_вых своего абсолютного максимума при сложении выходных мощностей транзисторных ячеек на частоте f₀, что приводит к снижению коэффициента усиления по мощности транзистора К_р=Р_вых/P_вx на его основной рабочей частоте f₀.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения неоднородности значений резонансных частот выходных цепей отдельных транзисторных ячеек за счет компенсации различия индуктивностей выходных цепей L_{вых i} соответствующим различием значений емкостей выходных цепей С_кi, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном СВЧ-транзисторе, содержащем основание с электродами, на котором размещена полупроводниковая подложка с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, а также области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода, причем хотя бы одна из площадок, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины металлизации, разделяющие часть площадки на изолированные фрагменты со средней площадью S_ф=S_сум/N, где S_сум и N - суммарная площадь и количество фрагментов, согласно изобретению, что средние и суммарные площади изолированных фрагментов металлизированных площадок отдельных ячеек удовлетворяют условиям

где S_фэj, S_фбj, S_фэk S_фбk - средние площади изолированных фрагментов соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек; S_{сум эj}, S_{сум бj}, S_{сум эk}, S_{сум бk} - суммарные площади изолированных фрагментов соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек; L_oj, L_ok - индуктивности соединений электрода общего вывода с соответствующими площадками j-й и k-й ячеек; L_kj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-й и k-й ячеек с коллекторным электродом.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора, достигается за счет того, что одновременное выполнение условий (2) приводит к уменьшению неоднородности значений резонансных частот выходных цепей транзисторных ячеек, что позволяет в большей степени, по сравнению с прототипом, приблизить эти частоты к основной рабочей частоте транзистора f₀. Следствием выполнение первой пары условий является уменьшение площадей изолированных фрагментов по мере увеличения L_{вых i}, что обеспечивает увеличение площади фрагментов, изолированных от электродов основания, при их закоротке проводником, соединяющим металлизированную площадку с соответствующим электродом основания. Тем самым уменьшается площадь металлизированной площадки под потенциалом соответствующего электрода, а значит, уменьшается паразитная емкость площадки, причем, тем значительнее, чем больше индуктивность выходной цепи ячейки L_{вых i}. Выполнение второй пары условий обеспечивает, по меньшей мере, неуменьшение площади изолированных фрагментов площадки, например, за счет сохранения или увеличения их количества N. При равенстве левой и правой части второго неравенства в скобке это условие обеспечивает поддержку достижения положительного эффекта за счет реализации условия первого неравенства. Если левая часть второго неравенства больше его правой части, это условие само по себе обеспечивает увеличение площади металлизированной площадки, изолированной от соединительного проводника, если количество фрагментов N, по меньшей мере, не уменьшится, что в данном случае контролируется первым неравенством. Таким образом, совместное выполнение обеих условий (2) приводит к уменьшению площади металлизированных площадок под потенциалом эмиттера и базы, а следовательно, к уменьшению паразитной емкости этих площадок и полной коллекторной емкости С_Ki, в большей степени тех ячеек, у которых больше величины индуктивности выходной цепи L_{вых i}. Это, в свою очередь, обеспечивает уменьшение разницы произведений С_Ki·L_{вых i}, следовательно, согласно (1), уменьшение средней разности резонансных частот выходных цепей транзисторных ячеек f_0i и основной рабочей частоты транзистора f₀, близкой к среднему значению f_0i. В результате на частоте f₀ будет больше величина выходного резонансного сопротивления транзистора К_вых(f₀), а значит, при некотором допустимом уровне выходной мощности P₁, будет больше, по сравнению с прототипом, значение коэффициента усиления по мощности К_P [6]:

K_P(f₀)=|h₂₁(f₀)|²·R_вых(f₀)/R_вх(f₀),

где h₂₁(f₀) и R_вх(f₀) - соответственно коэффициент передачи тока и входное сопротивление транзистора на его основной рабочей частоте.

На фиг.1 изображена схема соединений отдельных ячеек заявляемого мощного СВЧ-транзистора. На фиг.2 схематично показан заявляемый мощный СВЧ-транзистор, вид сверху. На фиг.3 отдельно показана одна из транзисторных ячеек.

Мощный СВЧ-транзистор состоит из основания корпуса 1, на котором расположены электроды: входной 2, коллекторный 3 и общего вывода 4. Для данного примера исполнения транзистора 2 и 4 - соответственно электроды эмиттера и базы. Полупроводниковая подложка 5 является в данном примере областью коллектора для всех N транзисторных ячеек 6. Металлизированные площадки 7 активных областей транзисторных ячеек 6 соединены с электродами эмиттера и базы 2 и 4 проводниками 8. Каждая транзисторная структура включает в свой состав область базы 9, соединенную с площадкой 7 посредством контактной металлизации 10. Фрагменты области эмиттера, расположенные в пределах области базы 9, соединены со своей металлизированной площадкой 7 для присоединения проводника 8 посредством контактной металлизации 11. Между металлизацией 11 и площадкой 7 расположен балластный резистор 12, противоположные стороны которого контактируют с областями металлизации 7 и 11. В пределах площадок 7 имеются выемки 13 глубиной не менее толщины металлизации. Выемки 13 разделяют части площадок 7 на фрагменты 14, некоторое количество которых изолировано от проводников 8. На фиг.3 показаны места присоединения 15 проводников 8, образующиеся за счет пластической деформации оснований проводников в процессе их монтажа к площадкам 7 и электрически соединяющие часть фрагментов 14 площадок 7, разделенных выемками 13.

При работе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности изменение средних и суммарных площадей изолированных фрагментов 14 в площадках 7 в соответствии с условием (2) обеспечивает разницу коллекторных емкостей С_Ki ячеек 6 за счет разницы паразитных емкостей площадок 7. Емкость площадок металлизации эмиттерной и базовой областей каждой транзисторной ячейки пропорциональна площади металлизации, контактирующей с проводниками 8. При одинаковых для всех ячеек значениях С_Ki различие резонансных частот их выходных цепей определяется разницей значений индуктивностей выходных цепей L_{вых i}, каждая из которых равна сумме индуктивности L_Бi проводника 8 и индуктивности L_Ki участка металлизации, соединяющего коллекторные области ячеек (основание подложки 5) с коллекторным выводом 3. Очевидно, основная рабочая частота транзистора f₀ будет определяться средним значением резонансных частот f_0i выходных цепей ячеек, или, согласно (1), средним значением L_{вых i}. Для ячейки с индуктивностью выходной цепи L_{вых i} меньше некоторого среднего значения, соответствующего основной рабочей частоте транзистора f₀, разница между f_0i и f₀ в заявляемом мощном СВЧ-транзисторе уменьшена за счет увеличения коллекторной емкости ячейки С_Ki, и наоборот. Увеличение (уменьшение) С_Ki осуществлено за счет увеличения (уменьшения) площади металлизации площадок 7, контактирующей с проводниками 8, реализуемого путем увеличения (уменьшения) размеров изолированных фрагментов 14, что отражено в условиях (2), например, за счет увеличения (уменьшения) количества фрагментов, уменьшения (увеличения) промежутков между ними путем сужения (расширения) выемок 13, и т.п. Увеличение (уменьшение) размеров фрагментов 14 приводит к увеличению (уменьшению) площади фрагментированной металлизации, закорачиваемой основаниями 15 проводников 8. Таким образом, одновременное выполнение условий (2) обеспечивает более точное совпадение резонансных частот f_0i выходных цепей ячеек 6, с основной рабочей частотой транзистора f₀, и, тем самым, более эффективное сложение выходных мощностей ячеек на частоте f₀, следовательно - повышение коэффициента усиления по мощности К_P транзистора.

Различие величин L_{вых i} растет с увеличением количества ячеек N, и для N=5...12 может составлять 1,15...1,55 раз [4]. Суммарная емкость металлизированных площадок 7 составляет порядка половины полной емкости коллектора С_K [7]. Суммарная площадь фрагментов 14 составляет не более ¹/₄ части площади площадок 7, что обусловлено необходимостью обеспечения надежного соединения активных областей транзисторных ячеек 6 с проводниками 8. Таким образом, емкости выходных цепей С_Ki транзисторных ячеек в заявляемом мощном СВЧ-транзисторе будут отличаться не более чем в 1,12 раза. Следовательно, даже при неоптимальном подборе значений С_Ki для соответствующих значений L_{вых i} условие (2) обеспечивает уменьшение неоднородности резонансных частот f_0i по сравнению с прототипом. При N≤7 принципиально возможно совпадение всех величин f_0i за счет постоянства произведений С_Ki·L_{вых i}. При N>7 неоднородность значений L_{вых i} будет компенсироваться не полностью, однако, условие (2) обеспечивает снижение разброса величин f_0i относительно их среднего значения, примерно совпадающего с основной рабочей частотой транзистора и повышение за счет этого коэффициента усиления по мощности К_P на частоте f₀.

Источники информации

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.16, 18, 38.

3. Заявка Японии №63 - 136637, МКИ H 01 L 21/60, 1988 - прототип.

4. Булгаков О.М., Петров Б.К. Компенсация уменьшения коэффициентов усиления по мощности оконечных каскадов узкодиапазонных ВЧ и СВЧ-транзисторных усилителей, вызванного индуктивным взаимодействием входных цепей транзисторных ячеек/ Сборник докладов VII Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация, связь” (Воронеж, 24-26 апреля 2001 г.). - Воронеж: ВНИИС, ВорГУ, 2001, Т.3, С.1795.

5. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов/ В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989, С.16.37.

6. Там же, С.15, 36.

7. Там же, С.19.

Использование: в полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: в мощном СВЧ-транзисторе средняя площадь изолированных фрагментов контактных площадок металлизации эмиттерных и базовых областей каждого транзисторного модуля уменьшается по мере увеличения индуктивности его выходной цепи. При этом дополнительным условием является неувеличение суммарной площади изолированных фрагментов металлизации данного модуля относительно модулей с меньшими значениями индуктивностей выходных цепей. Технический результат - уменьшение неоднородности значений резонансных частот выходных целей отдельных транзисторных ячеек за счет компенсации различия индуктивностей выходных цепей соответствующим различием значений емкостей выходных цепей, а также увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора. 3 ил.

Мощный СВЧ-транзистор, содержащий основание с электродами, на котором размещена полупроводниковая подложка с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, а также области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода, причем хотя бы одна из площадок, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины металлизации, разделяющие часть площадки на изолированные фрагменты со средней площадью S_ф=S_сум/N, где S_сум и N - суммарная площадь и количество фрагментов, отличающийся тем, что средние и суммарные площади изолированных фрагментов металлизированных площадок отдельных ячеек удовлетворяют условиям

где S_фэj, S_фбj, S_фэk, S_фбk - средние площади изолированных фрагментов соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек;

S_{сум эj}, S_{сум бj}, S_{cyм эk}, S_{cyм бk} - суммарные площади изолированных фрагментов соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек;

L_oj, L_ok - индуктивности соединений электрода общего вывода с соответствующими площадками j-й и k-й ячеек;

L_kj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-й и k-й ячеек с коллекторным электродом.