МОЩНАЯ СВЧ ТРАНЗИСТОРНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2005 года по МПК H01L29/72 

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

Известна мощная СВЧ 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, с.106]. 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 Р₁ и надежности транзисторной структуры.

В другой транзисторной структуре балластный резистор имеет непрямоугольную форму [1, с.107]. 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 Р₁ и повысить надежность транзисторной структуры.

Недостатком такой транзисторной структуры является снижение коэффициента усиления по мощности К_P=P₁/Р_вх (Р_вх - входная мощность) за счет увеличения паразитной проходной емкости “эмиттер-коллектор” С_КЭ и полной емкости коллектора С_K вследствие увеличения площади балластного резистора, а также за счет дополнительного рассеяния части входной мощности на балластном резисторе без усиления [1, С.11-20, 30-38]. Кроме того, увеличение длины балластного резистора относительно некоторого среднего значения, пропорционального сопротивлению резистора, приводит к увеличению площади транзисторной структуры

Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, балластный резистор которой включает в себя фрагменты из двух различных материалов, что позволяет предохранить активные области от перегрева при отклонении параметров режима эксплуатации от штатных значений [2]. Однако это не влечет за собой уменьшение площади балластного резистора и устранения недостатков, присущих указанной выше транзисторной структуре [1, с.107].

Балластный резистор конструктивно располагается на изолирующем окисле над областью коллектора, поэтому, наряду с емкостью металлизации для присоединения эмиттерного проводника, его емкость входит в состав паразитной проходной емкости “коллектор-эмиттер” С_КЭ. Емкость С_КЭ шунтирует активное входное сопротивление транзистора в схеме с общей базой (ОБ), что приводит к передаче части входной мощности через С_КЭ без усиления непосредственно в коллекторную цепь транзистора. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) через С_КЭ часть выходной мощности попадает в общий вывод, минуя нагрузку. Независимо от схемы включения транзистора (с ОБ или ОЭ) емкость балластного резистора входит в состав полной коллекторной емкости С_K, с которой коэффициент передачи тока h₂₁ и коэффициент усиления по мощности К_P связаны обратной зависимостью [1, С.11-20, 30-38]. Поэтому увеличение С_КЭ, обусловленное увеличением площади балластного резистора в соответствии с требуемым законом распределения сопротивления по его ширине, приводит к снижению К_P.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения проходной емкости “коллектор-эмиттер” и полной коллекторной емкости транзистора и длины балластного резистора, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности и уменьшена площадь транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной СВЧ транзисторной структуре, содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, характеризующийся удельной проводимостью где σ(х) - закон распределения проводимости балластного резистора по его ширине, x∈[0;h], h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера, а расстояние между смежными краями металлизации области эмиттера и металлизации площадки для присоединения эмиттерного проводника характеризуется некоторой функцией l(х), согласно изобретению, балластный резистор включает в себя по меньшей мере один фрагмент с удельной проводимостью σ^*<σ₀, такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины Δh_i=Δh_j, по меньшей мере один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с удельной проводимостью σ^*, проводимости участков , Σ_i>Σ_j, и средние длины участков удовлетворяют соотношению:

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, увеличение коэффициента усиления по мощности, достигается за счет того, что наличие в балластном резисторе фрагментов с удельной проводимостью, меньшей средней удельной проводимости резистора, размещенных в соответствии с законом распределения проводимости по ширине резистора σ(х), позволяет уменьшить площадь верхней обкладки конденсатора, образованного резистором и областью коллектора, и тем самым уменьшить паразитные емкости С_КЭ и С_K, а уменьшение площади транзисторной структуры достигается за счет того, что увеличение сопротивления отдельных участков балластного резистора в соответствии с законом σ(х) осуществляется не только за счет увеличения длины этих участков, но и за счет увеличения их удельного сопротивления, и таким образом уменьшается длина балластного резистора.

На чертеже изображена заявляемая мощная СВЧ транзисторная структура, вид сверху.

Мощная 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 из материала с удельной проводимостью σ^* большей, чем средняя удельная проводимость резистора. На чертеже также показана металлизация 9 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 10 площадки для присоединения базового проводника 11. Участки резистора шириной Δh_i, Δh_j+1, не содержащий и содержащий фрагмент с из материала с удельной проводимостью σ^*, обозначены на фиг.1, 2 соответственно как 12 и 13.

При работе мощной СВЧ транзисторной структуры в составе мощного СВЧ транзистора в схеме каскада усиления мощности с ОБ уменьшение площади балластного резистора 7 под потенциалом эмиттера за счет наличия фрагментов 8 из материала с пониженной удельной проводимостью σ^* обеспечивает, во-первых, снижение проходной емкости “коллектор-эмиттер” С_КЭ, в результате чего меньшая по сравнению с прототипом часть входной мощности будет передаваться через С_КЭ в выходную цепь без усиления, а, во-вторых, будет уменьшена полная емкость коллектора С_К. Оба этих фактора обеспечивают повышение коэффициента усиления по мощности К_P. В схеме с ОЭ к увеличению К_P будет приводить второй из названных факторов, а также уменьшение части выходной мощности, попадающей через С_КЭ в общий вывод схемы усилительного каскада, минуя нагрузку.

Реализация требуемого сопротивления резистора R и закона распределения его проводимости по ширине σ(х), или Σ(Δh_j), может быть осуществлена за счет вариации количеством и конфигурацией фрагментов 8 из материала с удельной проводимостью σ^*, а также плотностью распределения их площади по ширине резистора 7. Общее сопротивление резистора:

где N=h/Δh. Очевидно, наличие в пределах какого-либо k-го участка 13 балластного резистора хотя бы одного фрагмента 8 с удельной проводимостью σ^* будет приводить к уменьшению проводимости этого участка

Длина участка 13 l_k в этом случае будет меньше, чем длина сплошного участка 12 резистора той же проводимости без фрагментов 8 с удельной проводимостью σ^*. Следовательно, реализация требуемого значения R при наличии в резистивном покрытии фрагментов 8 с повышенной удельной проводимостью σ^* будет приводить к уменьшению длины резистора 7, т.е. расстояния между смежными краями металлизации 4 области эмиттера 3 и металлизации площадки 5 для присоединения проводника 6, и, тем самым - к уменьшению площади транзисторной структуры. Варьируя количество и геометрические параметры фрагментов 8 в пределах различных участков 13 балластного резистора, можно реализовать требуемый закон распределения усредненной по ширине участков 12, 13 проводимости резистора Σ(Δh_j), обеспечивающий повышение равномерности разогрева транзисторной структуры, а также удовлетворить требования условия (1), обеспечивающие дополнительное уменьшение длины балластного резистора и площади транзисторной структуры.

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. - 144 с.

2. О.М.Булгаков, Б.К.Петров. Мощная СВЧ транзисторная структура / Заявка на изобретение №200310187/20 (001859) - прототип.

Использование: в полупроводниковой электронике, в конструкциях мощных СВЧ полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: мощная СВЧ транзисторная структура содержит области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника. В балластном резисторе имеются фрагменты из материала с относительно более высоким удельным сопротивлением. Требуемое значение сопротивления резистора и заданный закон изменения сопротивления по ширине резистора реализуются за счет подбора количества, геометрических параметров и распределения фрагментов по ширине резистора. Дополнительное условие на средние длины и проводимости участков резистора обеспечивает уменьшение длины балластного резистора и тем самым уменьшение площади транзисторной структуры. Техническим результатом изобретения является уменьшение проходной емкости “коллектор-эмиттер” и полной коллекторной емкости транзистора и длины балластного резистора, увеличение коэффициента усиления по мощности и уменьшение площади транзисторной структуры. 1 ил.

Мощная СВЧ транзисторная структура, содержащая области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, характеризующийся удельной проводимостью

где σ(х) - закон распределения проводимости балластного резистора по его ширине, х∈[0;h]; h - ширина балластного резистора у края металлизации области эмиттера, а расстояние между смежными краями металлизации области эмиттера и металлизации площадки для присоединения эмиттерного проводника характеризуется некоторой функцией l(х), отличающаяся тем, что балластный резистор включает в себя по меньшей мере один фрагмент с удельной проводимостью σ^*<σ₀, такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины Δh_i=Δh_j, no меньшей мере один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с удельной проводимостью σ^*, проводимости участков и средние длины участков удовлетворяют соотношению: