МОЩНАЯ СВЧ-ТРАНЗИСТОРНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2004 года по МПК H01L29/72 

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

Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса [1].

Недостатками такой транзисторной структуры являются неравномерное распределение мощности по площади структуры и термическая неустойчивость вследствие сильной положительной токотермической связи, приводящие к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзисторной структуры.

В другой транзисторной структуре [2] между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника включен балластный резистор непрямоугольной формы. Балластный резистор необходим для стабилизации входного сопротивления транзисторной структуры и предотвращения эффекта шнурования тока за счет уменьшения положительной токотермической обратной связи. Непрямоугольная форма резистора обеспечивает подключение к различным участкам области эмиттера различных сопротивлений с целью увеличения уровня рассеиваемой мощности в областях транзисторной структуры с лучшими условиями отвода тепла и уменьшения этого уровня в областях транзисторной структуры с худшими условиями отвода тепла. Изменение сопротивления балластного резистора по его ширине позволяет повысить равномерность разогрева транзисторной структуры и за счет этого увеличить P₁.

Недостатком такой транзисторной структуры является снижение коэффициента усиления по мощности К_р=P₁/Р_вх (Р_вх - входная мощность) за счет увеличения паразитной проходной емкости “эмиттер-коллектор” С_кэ и полной емкости коллектора С_к вследствие увеличения площади балластного резистора, а также за счет дополнительного рассеяния части входной мощности на балластном резисторе без усиления [3].

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура с балластным резистором из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, одной стороной контактирующим с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующим с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, служащего для соединения эмиттерной области транзисторной структуры с одноименным электродом корпуса [4].

Изменение распределения выделяемой тепловой мощности в пределах транзисторной структуры относительно некоторого ее оптимального баланса при изменении параметров режима эксплуатации (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке) и неизменном соотношении сопротивлений, подключаемых к различным участкам транзисторной структуры, приводит к снижению надежности транзисторной структуры [5].

Заявляемое изобретение предназначено для перераспределения выделяемой тепловой мощности при изменении теплового баланса в пределах активной области транзисторной структуры за счет изменения соотношения сопротивлений отдельных участков балластного резистора при изменении температур непосредственно соединенных с ними участков транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена надежность транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с некоторым положительным температурным коэффициентом сопротивления α₀, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, согласно изобретению, балластный резистор включает в себя, по меньшей мере, один фрагмент с температурным коэффициентом сопротивления α*≠α₀, такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины, по меньшей мере, один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α^*, выполняется соотношение

где α₁, α₂ - температурные коэффициенты сопротивления участков при соответствующих средних температурах участков T₁, Т₂ в диапазоне рабочих температур транзисторной структуры, причем T₁>T₂.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение надежности транзисторной структуры, достигается за счет того, что наличие в балластном резисторе фрагментов из материала с повышенным значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС) приводит к более значительному увеличению сопротивления участков резистора, непосредственно контактирующих с перегретыми областями транзисторной структуры и содержащих фрагменты с ТКС α*>α₀, по сравнению с менее нагретыми участками резистора, контактирующими с менее нагретыми участками транзисторной структуры и не содержащими или содержащими в меньшей степени фрагменты с ТКС α^*. С другой стороны, при α*<α₀ участки резистора, содержащие фрагменты из материала с пониженным ТКС, будут контактировать с менее нагретыми областями транзисторной структуры, и их сопротивления будут возрастать с увеличением температуры в меньшей степени, чем сопротивления участков, не содержащих или содержащих в меньшей степени фрагменты с ТКС α^* и контактирующих с более нагретыми областями транзисторной структуры. Оба возможных направления осуществления изобретения обеспечивают изменение соотношения между сопротивлениями отдельных участков балластного резистора в сторону его увеличения в большей степени для участков, контактирующих с перегретыми областями транзисторной структуры. Тем самым будет уменьшена доля входной мощности, приходящаяся на перегретые области транзисторной структуры, и увеличена доля мощности, приходящаяся на ее менее нагретые области. В итоге при изменении параметров режима эксплуатации транзисторной структуры распределение тепловой мощности по активной области транзисторной структуры будет более близким к оптимальному с точки зрения обеспечения равномерного распределения температуры. За счет этого повысится устойчивость транзисторной структуры к образованию перегретых областей - “горячих пятен”, например, при рассогласовании ее выходного сопротивления с сопротивлением нагрузки, и таким образом снизится вероятность отказа транзисторной структуры.

На фиг. 1, 2 изображены варианты реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху. В транзисторной структуре, показанной на фиг. 1, ТКС резистора α₀ меньше ТКС фрагментов α*; на фиг. 2 изображена транзисторная структура, у которой α*≠α₀. Обозначения элементов конструкции транзисторной структуры на фиг. 1 и 2 продублированы.

Мощная ВЧ- и 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 эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. В резисторе 7 имеются фрагменты 8 с ТКС α*, отличным от ТКС резистора. На фиг. 1, 2 также показана металлизация 9 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 10 площадки для присоединения базового проводника 11. Участки резистора шириной h, содержащие и не содержащие фрагмент с ТКС α*≠α₀, обозначены на фиг. 1, 2 соответственно как 12 и 13.

При работе мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вариант реализации которой показан на фиг.1, в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности наличие в резисторе 7 фрагментов 8 с ТКС α^*>α₀ позволяет располагать фрагменты 8 в непосредственной близости от участков активной области транзисторной структуры, подверженных перегреву при отклонении параметров режима усиления каскада от оптимальных. Оптимальный подбор конструктивных параметров и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности P₁, коэффициента усиления по мощности К_р, КПД коллекторной цепи η_к за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности в пределах области базы 2, характеризующегося относительно равномерным разогревом области 2 (соответственно - резистора 7). Если изменение штатного режима приводит к повышению температуры области 2, то положительный ТКС α₀ балластного резистора 7 приводит к увеличению входного сопротивления структуры в целом и ограничивает дальнейшее увеличение рассеиваемой мощности. При относительном перегреве отдельных участков области 2 наличие фрагментов резистора 8 с ТКС α^*>α₀ вблизи таких участков препятствует дальнейшему увеличению неравномерности разогрева области 2 или уменьшает эту неравномерность, так как сопротивление участков балластного резистора, непосредственно контактирующих с перегретыми участками области 2, растет сильнее сопротивлений других участков резистора, не содержащих фрагменты 8. Это приводит к перераспределению эмиттерного тока, протекающего от проводника 6 по металлизации 4 к фрагментам 3, таким образом, что в перегретых участках области эмиттера 3 уменьшается плотность тока относительно менее нагретых участках. В итоге даже при повышенной температуре области 2 в целом в ней отсутствуют “горячие пятна”, что свидетельствует о повышенной тепловой устойчивости транзисторной структуры и ее повышенной надежности. Аналогичный эффект достигается при наличии в резисторе 7 фрагментов 8 с ТКС α^*<α₀ (фиг. 2), когда эти фрагменты располагаются в непосредственной близости от относительно менее нагретых участков области 2. При увеличении градиента температуры в пределах области 2 вследствие отклонения режима работы транзисторной структуры от штатных параметров сопротивление участков резистора, содержащих фрагменты 8, изменяется в соответствии с условиями неравенства (1) таким образом, что в менее нагретых участках области эмиттера 3 увеличивается плотность тока относительно более нагретых участков и наоборот, что обеспечивает стабилизацию относительного распределения температуры по области 2 или снижение его неоднородности.

Наличие в балластном резисторе участков с ТКС, отличающимся от ТКС резистора, и размещение этих участков согласно условию (1) приводят к повышению тепловой устойчивости транзисторной структуры при изменении параметров режима усиления и тем самым обеспечивает повышение надежности транзисторной структуры. Поскольку изменение сопротивлений участков балластного резистора не связано с изменением их длины, повышение надежности транзисторной структуры не приводит к увеличению площади резистора и снижению коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры.

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. Там же, С.11-20, 30-38.

4. Там же, С.106. - прототип.

5. Булгаков О.М. Параметрическое моделирование экстремальных режимов работы мощных биполярных СВЧ-транзисторов. / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докладов XXX Международного научно-технического семинара (Москва, 29 ноября - 3 декабря 1999 г.). - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ, 2000. - С.408-412.

Использование: полупроводниковая электроника. Техническим результатом изобретения является повышение надежности транзисторной структуры за счет повышения ее устойчивости к изменению термического равновесия в пределах активных областей структуры вследствие отклонения характеристик режима усиления от штатных значений, например при рассогласовании оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. При нарушении теплового баланса изобретение обеспечивает перераспределение мощности по активным областям транзисторной структуры за счет изменения соотношения сопротивления отдельных участков балластного резистора. Сущность изобретения: в балластном резисторе мощной транзисторной структуры имеются фрагменты с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), отличным от ТКС резистора. Фрагменты распределены таким образом, что при относительном перегреве какой-либо активной области транзисторной структуры сопротивление последовательно соединенного с ней участка балластного резистора растет в большей степени по сравнению с относительным изменением сопротивлений участков резистора, соединенных с менее нагретыми областями транзисторной структуры. 2 ил.

Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с некоторым положительным температурным коэффициентом сопротивления α₀, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, отличающаяся тем, что балластный резистор включает в себя по меньшей мере один фрагмент с температурным коэффициентом сопротивления α*≠α₀ такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины, по меньшей мере, один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α*, выполняется соотношение α₁(T₁)>α₂(T₂), где α₁, α₂ - температурные коэффициенты сопротивления участков при соответствующих средних температурах участков T₁, Т₂ в диапазоне рабочих температур транзисторной структуры, причем T₁>Т₂.