МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ВЧ- И СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2004 года по МПК H01L29/72 

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

Известен мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с транзисторными структурами, коллекторные, базовые и эмиттерные области которых соединены с соответствующими им электродами корпуса, причем 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 [1]. Наличие балластных резисторов позволяет повысить термическую устойчивость транзистора путем снижения положительной обратной токотермической связи за счет стабилизации входных сопротивлений транзисторных ячеек и тем самым повысить выходную мощность P₁ и надежность транзистора.

Увеличение сопротивлений балластных резисторов, приводящее к повышению P₁, влечет за собой снижение коэффициента усиления по мощности Кр=P₁/Р_вх (Р_вх - входная мощность транзистора) и КПД транзистора [2]. 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.

Возможность подбора сопротивления балластного резистора индивидуально для каждой ячейки в зависимости от ее конструктивных особенностей позволяет перераспределить входную мощность между транзисторными ячейками с целью выравнивания температуры их нагрева в рабочем режиме и тем самым повысить выходную мощность P₁ транзистора в целом.

Инерционность процесса стабилизации теплового режима приводит к снижению надежности транзисторной структуры в динамическом режиме.

Наибольшее выделение тепловой мощности происходит на коллекторном р-n-переходе, поэтому при включении транзистора требуется некоторое время для нагрева резистора теплом, выделяемым активной областью транзисторной структуры. Другим механизмом, обуславливающим инерционность установления теплового равновесия, является взаимный подогрев транзисторных структур. Таким образом, требуется некоторое время для того, чтобы распределение температуры по балластным резисторам ввиду их нагрева, следовательно, распределение величины сопротивления Ri, i=1,...,N по балластным резисторам стало пропорционально установившемуся распределению средних температур транзисторных структур Ti. До момента установления оптимального распределения сопротивлений балластных резисторов, приводящего к перераспределению входной мощности транзисторными структурами, обеспечивающему их относительно равномерный разогрев, транзисторные структуры в центре подложки с худшими условиями отвода тепла имеют температуру выше, чем в установившемся режиме. Поэтому в динамическом режиме работы транзистора его среднее время наработки на отказ меньше, чем в статическом режиме.

Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева транзисторных структур мощного ВЧ- и СВЧ-биполярного транзистора от момента его включения до установления теплового баланса за счет более быстрого увеличения сопротивления балластных резисторов, соединенных с транзисторными структурами с худшими условиями отвода тепла, относительно резисторов, соединенных с транзисторными структурами с лучшими условиями отвода тепла, и при его осуществлении может быть повышена надежность транзистора в динамическом режиме.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном биполярном ВЧ- и СВЧ-транзисторе, содержащем N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и величиной сопротивления Ri 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 один балластный резистор имеет температурный коэффициент сопротивления α_k отличный от температурных коэффициентов сопротивления α_j других балластных резисторов, причем для соответствующего сопротивления R_k и любого R_j, j=1,...,N, j≠k выполняется соотношение:

если R_k(T_k)>R_j(T_j), или

если R_k(T_k)<R_j(T_j), где T_j,T_k - средние температуры балластных резисторов в рабочем режиме транзистора.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение надежности транзистора в динамическом режиме, достигается за счет того, что наличие балластных резисторов, например, с повышенным значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС): α_k>α_j и выполнение условия (1а), т.е. увеличение ТКС резисторов с повышенным сопротивлением, принадлежащим транзисторным структурам с худшими условиями отвода тепла, приводит к тому, что при включении транзистора и вызванном этим увеличении температуры транзисторных структур и принадлежащих им резисторов повышенные сопротивления резисторов растут более быстро по сравнению с относительно малыми сопротивлениями резисторов, предназначенными для стабилизации входных сопротивлений транзисторных структур с лучшими условиями отвода тепла. Таким образом, в процессе нагрева транзисторных структур еще до достижения предельных температур имеет место избыточная компенсация перегрева транзисторных структур с худшими условиями отвода тепла соответствующим распределением сопротивления балластных резисторов, т.е. в процессе нагрева транзисторных структур неравномерность распределения сопротивления балластных резисторов будет выше, чем в установившемся режиме. Это приводит к тому, что при приближении к установившемуся режиму на транзисторные структуры с лучшими условиями отвода тепла будет приходиться несколько большая мощность, чем в установившемся режиме, и эти структуры будут нагреты сильнее. Но поскольку количество таких структур превосходит количество структур, расположенных в центре подложки и температура которых до установления теплового стационарного режима может превышать максимальную рабочую температуру, а также благодаря ограничению на соотношения ТКС резисторов, накладываемому правой частью неравенства (1а), градиент температуры в этом случае будет не столь велик, как в прототипе, за счет перегрева областей с худшими условиями отвода тепла до момента установления теплового равновесия. Соответствующее распределение температуры балластных резисторов в данный момент переходного теплового процесса приводит к тому, что сопротивление балластного резистора R_k с ТКС α_k>α_j ниже, чем в установившемся режиме. Следовательно, относительная доля входной мощности P_{вx k}/P_вx, приходящейся на k-ую транзисторную структуру, будет возрастать, в результате чего повысится ее температура, далее повысится (с избытком относительно установившегося режима) сопротивление R_k, далее понизится относительная доля входной мощности, приходящейся на k-ую транзисторную структуру, и т.д. вплоть до установления теплового баланса, при котором распределение температуры по активным областям стабильно во времени, а средняя температура k-го балластного резистора равна Т_k. Таким образом, выполнение условий формулы изобретения приводит к тому, что процесс установления теплового равновесия при включении транзистора носит колебательный характер с меньшим превышением максимальной температуры установившегося рабочего режима по сравнению с конструкцией прототипа. Аналогичный эффект имеет место и в случае, когда резисторы с наименьшими сопротивлениями, принадлежащие транзисторным структурам с лучшими условиями отвода тепла, расположенными на периферии подложки, имеют ТКС α_k<α_j: повышенное сопротивление остальных резисторов изменяется с температурой сильнее. Ограничение на соотношение α_k/α_j, накладываемое правой частью неравенства (1а) и левой частью неравенства (1б), предотвращает нежелательные резкие перепады температуры транзисторных структур во время процесса установления теплового равновесия, приводящие к снижению надежности транзистора. Снижение максимальной температуры отдельных транзисторных структур в процессе установления теплового равновесия, в особенности транзисторных структур, чья температура в процессе включения может превышать максимальную температуру транзистора в статическом режиме, приводит к повышению надежности мощного биполярного ВЧ- и СВЧ-транзистора в динамическом режиме.

На чертеже изображен заявляемый мощный биполярный ВЧ- и СВЧ-транзистор, вид сверху.

Мощный биполярный ВЧ- и СВЧ-транзистор (на чертеже для определенности показан транзистор, предназначенный для работы в схемах усилителей с общим эмиттером) состоит из основания корпуса 1, на котором расположены электроды: входной 2 (в данном примере - базовый), нулевого потенциала 3 и коллекторный 4. Для данного примера исполнения транзисторы 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. Различие сопротивлений и ТКС балластных резисторов 11 достигнуто в данном примере за счет того, что в балластных резисторах транзисторных структур, расположенных в центре подложки 5, имеются фрагменты 12 из материала с более высоким значением удельного сопротивления и ТКС по сравнению с материалом резисторов в исходной конструкции.

При работе мощного биполярного ВЧ- и СВЧ-транзистора, вариант реализации которого показан на чертеже, в динамическом режиме увеличение ТКС балластных резисторов 11, принадлежащих транзисторным структурам в центре подложки 5, за счет наличия в резисторах 11 фрагментов 12 с повышенным сопротивлением и ТКС (например, силицид никеля по отношению к нихрому) приводит к тому, что от момента подачи на вход “база-эмиттер” транзистора напряжения до момента установления стационарного распределения температуры в пределах подложки 5 сопротивление резисторов с повышенными значениями сопротивления и ТКС изменяются с изменением температуры подложки в целом и транзисторных структур в отдельности относительно более значительно. На начальном этапе переходного теплового процесса имеет место саморазогрев транзисторных структур, когда их тепловые потоки еще не распространились до ближайших соседних структур. В это время сопротивления балластных резисторов центральных транзисторных структур и входные сопротивления этих структур в целом растут быстрее, чем сопротивления периферийных структур, как за счет более высоких сопротивлений резисторов, так и за счет более высоких ТКС резисторов. При этом более высокие значения ТКС обеспечивают быстрый рост входных сопротивлений соответствующих транзисторных структур даже при большой скорости нарастания переднего фронта импульса входного напряжения. Таким образом, к моменту начала взаимного разогрева транзисторных структур имеет место снижение доли входной мощности и, соответственно, величины выделяемой тепловой мощности транзисторных структур в центре подложки, характеризующихся худшими по сравнению с периферийными транзисторными структурами условиями отвода тепла. Ввиду лучших условий отвода тепла от периферийных структур кратковременное увеличение выделяемой ими тепловой мощности не приводит к существенному превышению их температурой температуры стационарного режима. На данном временном отрезке относительный перегрев периферийных структур приводит к росту сопротивлений их балластных резисторов, в то время как недостижение балластными резисторами центральных структур своих максимальных значений ввиду снижения приходящейся на них доли входной мощности приводит к снижению (замедлению роста относительно периферийных структур) входных сопротивлений этих структур и, как следствие, увеличению их температуры. Повышенный ТКС балластных резисторов центральных структур вновь приводит к избыточной компенсации их ускоренного кратковременного нагрева перераспределением входной мощности и т.д. В итоге вплоть до установления теплового баланса переходный тепловой процесс носит колебательный характер и транзисторные структуры, к которым подключены балластные резисторы 11 с фрагментами с повышенным ТКС 12, защищены от кратковременного перегрева.

Выполнение условий формулы изобретения приводит к тому, что, если хотя бы один из балластных резисторов обладает повышенным ТКС, то этот резистор обладает наибольшим значением сопротивления в стационарном режиме, т.е. принадлежит транзисторной структуре, наиболее подверженной перегреву. Если таких резисторов несколько, то они имеют максимальные в ряду R сопротивления. Если ТКС резисторов образуют ряд из нескольких значений, то по условиям формулы изобретения резисторы с максимальными сопротивлениями в ряду R_i будут обладать максимальными значениями ТКС в ряду значений α_i и наоборот.

Наличие балластных резисторов с различными ТКС и распределение ТКС резисторов в соответствии со значениями сопротивлений резисторов согласно условиям (1а) и (1б) приводит к повышению тепловой устойчивости мощного биполярного ВЧ- и СВЧ-транзистора при его включении и тем самым обеспечивает повышение надежности транзистора в динамическом режиме.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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.

2. Там же, с.11-20, 30-38.

Использование: в полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: в биполярном ВЧ- и СВЧ-транзисторе балластные резисторы с более высокими сопротивлениями характеризуются более высокими температурными коэффициентами сопротивления (ТКС). Это приводит к большему относительному изменению сопротивления резисторов с повышенным сопротивлением при изменении температуры транзисторных структур по сравнению с сопротивлением других резисторов. В результате процесс установления в транзисторе теплового баланса носит колебательный характер с относительно малым превышением максимумами колебаний температуры транзисторных структур с худшими условиями отвода тепла, значений ее температуры в установившемся режиме. Техническим результатом изобретения является предотвращение перегрева транзисторных структур мощного ВЧ- и СВЧ-биполярного транзистора от момента его включения до установления теплового баланса за счет более быстрого увеличения сопротивления балластных резисторов, соединенных с транзисторными структурами с худшими условиями отвода тепла, относительно резисторов, соединенных с транзисторными структурами с лучшими условиями отвода тепла. Повышение надежности транзистора в динамическом режиме. 1 ил.

Мощный биполярный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и величиной сопротивления 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 один балластный резистор имеет температурный коэффициент сопротивления α_k, отличный от температурных коэффициентов сопротивления α_j других балластных резисторов, причем для соответствующего сопротивления R_k и любого R_j, j=1,...,N, j≠k, выполняется соотношение 1<α_k/α_j ≤ R_k(Т_k)/R_j(Т_j), если R_k(Т_k)>R_j(Т_j), или R_k(Т_k)/R_j(Т_j)≤α_k/α_j<1, если R_k(Т_k)<R_j(Т_j), где Т_j, Т_k - средние температуры балластных резисторов в рабочем режиме транзистора.