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 ячейками, 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_P 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]. Уменьшение паразитной емкости площадки достигается за счет исключения из ее площади суммарной площади выемок. Кроме того, 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).

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_P=Р_вых/Р_вх 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, согласно изобретению, площади выемок в площадках отдельных ячеек удовлетворяют условию

где S_эj, S_бj, S_эk, S_бk - площади выемок 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_кj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-й и k-й ячеек с коллекторным электродом;

при этом

P_эj, P_бj, Р_эk, P_бk^- суммарные длины выемок соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора, достигается за счет того, что выполнение условий (2) и (3) 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 условия (2) является различие величин С_Кi транзисторных ячеек за счет различия площадей обкладок паразитных конденсаторов, образованных металлизацией и контактными площадками для присоединения эмиттерных и базовых проводников. При этом максимальное уменьшение площадей контактных площадок, а следовательно, емкостей коллектора С_Ki, будет в ячейках с максимальными значениями индуктивностей выходных цепей L_{выx i}. Это приводит к уменьшению разницы произведений С_Ki·L_{вых i}, следовательно, согласно (1), к уменьшению 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 R_вых(f₀), а значит, при некотором допустимом уровне выходной мощности Р₁ будет больше, по сравнению с прототипом, значение коэффициента усиления по мощности К_P [6]:

K_P(f₀)=|h₂₁(f₀)|²·К_вых(f₀)/R_вx(f₀),

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

Условие (3) обеспечивает уменьшение площадей металлизированных площадок всех ячеек за счет увеличения длины выемок в площадках при неизменной средней ширине выемок и тем самым гарантирует сохранение положительного эффекта, достигнутого в прототипе, за счет соблюдения условий его достижения при предлагаемых конструктивных изменениях.

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. На фиг.3 показаны места присоединения 14 проводников 8, образующиеся за счет пластической деформации оснований проводников в процессе их монтажа к площадкам 7 и электрически соединяющие часть фрагментов площадок 7, разделенных выемками 13.

При работе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности изменение площадей выемок 13 в площадках 7 в соответствии с условием (2) обеспечивает разницу коллекторных емкостей С_Ki ячеек 6 за счет разницы паразитных емкостей площадок 7, пропорциональных их площади, уменьшаемой на величину площади выемок 13. Следствием выполнения условия (2) является более точное совпадение резонансных частот выходных цепей ячеек 6, образованных индуктивностью L_Бi проводника 8, индуктивностью l_Ki участка металлизации, соединяющего коллекторные области ячеек (основание подложки 5) с коллекторным выводом 3, емкостью С_Ki и сопротивлением коллектора R_Ki, с основной рабочей частотой транзистора f₀.

Условие (3) обеспечивает уменьшение суммарной площади выемок 13 в площадках 7 только за счет уменьшения длины выемок без изменения их формы. Следствием выполнения условия (3) является уменьшение длины выемок в площадках ячеек 6 по мере уменьшения индуктивности L_{вых i} их выходной цепи, и наоборот. Условие (3) исключает возможность сведения к нулю положительного эффекта от заявляемого изобретения, например, за счет формирования выемок с большим отношением площади к длине (квадрат, круг), полностью или частично размещенных под местами присоединения 14 проводников 8.

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]. Наличие выемок 13 в металлизации площадок 7 позволяет уменьшить их емкость не более чем в 1,3 раза, 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 1,15 раза. Следовательно, даже при неоптимальном подборе значений C_Ki для соответствующих значений L_{вых i} условие (2) обеспечивает уменьшение неоднородности резонансных частот f_0i по сравнению с прототипом. При N≤8 принципиально возможно совпадение всех величин f_0i за счет постоянства произведений С_Ki·L_{вых i}. При N>8 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы. / Под ред. Я.А. Федотова. - М.: Сов. радио, 1973, 336 с.

Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989, c.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, c.15, 36.

7. Там же, c.19.

Использование: в полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: в мощном СВЧ-транзисторе суммарная площадь выемок в контактных площадках металлизации эмиттерных и базовых областей каждого транзисторного модуля, предназначенных для уменьшения паразитной емкости площадок, увеличивается по мере увеличения индуктивности его выходной цепи. Дополнительное условие на соотношение суммарных площади и длины выемок обеспечивает вариацию емкостей площадок металлизации посредством изменения длины выемок при их неизменной форме. Техническим результатом изобретения является уменьшение неоднородности значений резонансных частот выходных цепей 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, отличающийся тем, что площади выемок в площадках отдельных ячеек удовлетворяют условию

S_эj+S_бj>S_эk+S_бk, если L_oj+L_kj>L_ok+L_кk,

где S_эj, S_бj, S_эk, s_бk - площади выемок 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_кj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-й и k-й ячеек с коллекторным электродом;

при этом

где P_эj, P_бj, P_эk, P_бk - суммарные длины выемок соответственно в эмиттерных и базовых площадках j-й и k-й ячеек.