МОЩНАЯ ВЧ И СВЧ БИПОЛЯРНАЯ ТРАНЗИСТОРНАЯ СТРУКТУРА 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.

Известна мощная ВЧ и СВЧ биполярная транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, а также балластный резистор из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, контактирующий своими противоположными сторонами с металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника [1]. Балластный резистор необходим для стабилизации входного сопротивления транзисторной структуры и повышения ее термической устойчивости путем предотвращения эффекта шнурования тока посредством уменьшения положительной токотермической обратной связи.

Недостатком такой транзисторной структуры является неравномерное распределение мощности по площади активных областей структуры, приводящее к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзисторной структуры.

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой балластный резистор имеет непрямоугольную форму [2] . Непрямоугольная форма резистора обеспечивает неравномерное распределение сопротивления по ширине резистора и, таким образом, 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 и повысить надежность транзисторной структуры.

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 транзисторной структуры требуется некоторое время для того, чтобы распределение температуры по балластному резистору ввиду его нагрева, следовательно, распределение сопротивления по ширине резистора стало пропорционально температуре активных областей транзисторной структуры, подключенных к соответствующим участкам резистора. До момента установления оптимального распределения сопротивления балластного резистора по его ширине, приводящего к перераспределению входной мощности по активным областям транзисторной структуры, обеспечивающему их равномерный разогрев, центральные области транзисторной структуры с худшими условиями отвода тепла имеют температуру выше, чем в установившемся режиме. Поэтому в динамическом режиме работы транзисторной структуры ее среднее время наработки на отказ меньше, чем в статическом режиме.

Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева активных областей мощной ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуры от момента ее включения до установления теплового баланса за счет более быстрого увеличения сопротивления участков балластного резистора, подключенных к активным областям с худшими условиями отвода тепла, относительно участков резистора, соединенных с активными областями с лучшими условиями отвода тепла, и при его осуществлении может быть повышена надежность транзисторной структуры в динамическом режиме.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуре, содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления α ₀, характеризующийся некоторым законом распределения сопротивления по ширине R(x, T₀), х∈ [0; d], d - ширина резистора, Т₀ - средняя температура резистора в рабочем режиме, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, согласно изобретению в балластном резисторе имеются фрагменты с температурным коэффициентом сопротивления α^*≠α₀, такие что для любых двух участков резистора одинаковой ширины Δ h с сопротивлениями R_i(Т₀)>R_j(T₀), по меньшей мере, один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α ^*, выполняется соотношение:

где α _0i, α _0j, - температурные коэффициенты сопротивления соответствующих участков.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение надежности транзисторной структуры в динамическом режиме, достигается за счет того, что наличие в балластном резисторе фрагментов из материала с повышенным значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α ^*>α ₀ и их размещение по ширине резистора в соответствии с условием (1), т.е. в части резистора с повышенным сопротивлением, приводит к тому, что при включении транзистора и вызванном этим увеличении температуры резистора сопротивление его участков с повышенным сопротивлением, непосредственно контактирующих с областями транзисторной структуры с худшими условиями тепла, растет более быстро по сравнению с участками резистора с меньшим сопротивлением, предназначенными для стабилизации сопротивления активных областей с лучшими условиями отвода тепла. Таким образом, в процессе нагрева активных областей транзисторной структуры еще до достижения предельной температуры имеет место избыточная компенсация перегрева локальной области структуры с худшими условиями отвода тепла соответствующим распределением сопротивления балластного резистора по его ширине, т.е. в процессе нагрева транзисторной структуры неравномерность распределения сопротивления балластного резистора по его ширине будет выше, чем в установившемся режиме. Это приводит к тому, что при приближении к установившемуся режиму на активные области с лучшими условиями отвода тепла будет приходиться несколько большая мощность, чем в установившемся режиме, и эти области будут нагреты сильнее. Но, поскольку площадь таких областей превосходит площадь активных областей, подверженных образованию “горячих пятен”, 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 баланса. Соответствующий градиент температуры балластного резистора в данный момент переходного теплового процесса приводит к тому, что сопротивление участков балластного резистора, содержащих фрагменты с ТКС α * >α ₀, ниже, чем в установившемся режиме. Следовательно, относительная доля входной мощности, поступающая через эти участки, будет возрастать, в результате чего повысится температура соответствующих активных областей, далее повысится (с избытком относительно установившегося режима) сопротивление участков резистора с фрагментами с ТКС α ^*, далее понизится относительная доля входной мощности, поступающая через эти участки, и т.д. вплоть до установления теплового баланса, при котором распределение температуры по активным областям стабильно во времени, а средняя температура балластного резистора равна Т₀. Таким образом, выполнение условий формулы изобретения приводит к тому, что процесс установления теплового равновесия при включении транзисторной структуры носит колебательный характер с меньшим превышением температуры установившегося рабочего режима по сравнению с конструкцией прототипа. Аналогичный эффект имеет место и в случае, когда фрагменты с ТКС α ^*<α ₀ располагаются по большей части в участках балластного резистора с относительно малым сопротивлением: повышенное сопротивление других участков изменяется с температурой сильнее. Ограничение на соотношение α _0i/α _0j, накладываемое левой частью неравенства (1), предотвращает нежелательные резкие перепады температуры активных областей во время процесса установления теплового равновесия, приводящие к снижению надежности транзисторной структуры. Снижение температуры отдельных активных областей транзисторной структуры в процессе установления теплового равновесия приводит к повышению надежности мощной ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуры в динамическом режиме.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты реализации заявляемой мощной ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуры, вид сверху. В транзисторной структуре, показанной на фиг. 1, ТКС резистора α ₀ 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 биполярная 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 биполярной 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 ^*>α ₀ в части резистора с повышенным сопротивлением позволяет подключать участки 13 резистора с фрагментами 8 последовательно с входными сопротивлениями “эмиттер-база” активных областей транзисторной структуры, подверженных перегреву во время переходного процесса от момента включения транзисторной структуры до установления теплового баланса (на фиг. 1 такие области располагаются в центре области базы 2). В результате во время теплового переходного процесса активные области, к которым подключены участки 13 с фрагментами 8, защищены от кратковременного перегрева, а установление рабочего штатного температурного режима во всех областях транзисторной структуры носит колебательный характер. Аналогичный эффект (ускоренное изменение сопротивлений участков с относительно большой величиной сопротивления в соответствии с изменением температуры прилегающих активных областей) достигается при наличии в участках с относительно низким сопротивлением резистора 7 фрагментов 8 с ТКС α ^*<α ₀ (фиг. 2), когда участки 13 с фрагментами 8 соединены последовательно с входными сопротивлениями “эмиттер-база” активных областей транзисторной структуры с лучшими условиями отвода тепла (на фиг. 2 - периферийные области транзисторной структуры).

Наличие в балластном резисторе участков с ТКС, отличающимся от ТКС резистора, и размещение этих участков согласно условию (1) приводит к повышению тепловой устойчивости транзисторной структуры при ее включении и тем самым обеспечивает повышение надежности транзисторной структуры 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.107. - прототип.

Использование: в полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: в ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуре в балластном резисторе с некоторым законом распределения сопротивления по ширине имеются фрагменты с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), отличным от ТКС резистора. Фрагменты распределены таким образом, что относительное изменение сопротивления с изменением температуры участков резисторов с повышенным сопротивлением больше по сравнению с сопротивлением других участков. За счет этого процесс установления в транзисторной структуре теплового баланса носит колебательный характер с относительно малым превышением максимумами колебаний температуры области, подверженной образованию “горячего пятна”, значения ее температуры в установившемся режиме. Техническим результатом изобретения является предотвращение перегрева активных областей мощной ВЧ и СВЧ биполярной транзисторной структуры от момента ее включения до установления теплового баланса за счет более быстрого увеличения сопротивления участков балластного резистора, подключенных к активным областям с худшими условиями отвода тепла, относительно участков резистора, соединенных с активными областями с лучшими условиями отвода тепла. Повышение надежности транзисторной структуры в динамическом режиме. 2 ил.

Мощная ВЧ и СВЧ биполярная транзисторная структура, содержащая области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления α₀, характеризующийся некоторым законом распределения сопротивления по ширине R(x, T₀), х∈[0; d], d - ширина резистора, Т₀ - средняя температура резистора в рабочем режиме, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, отличающаяся тем, что в балластном резисторе имеются фрагменты с температурным коэффициентом сопротивления α^* ≠ α₀, такие, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины Δh с сопротивлениями R_i(T₀)>R_j(T₀), по меньшей мере, один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α^*, выполняется соотношение

R_i(T₀)/R_j(T₀)≥ α_0i/α_0j>l,

где α_0i, α_0j - температурные коэффициенты сопротивления соответствующих участков.