МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2005 года по МПК H01L29/72 

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

Известен мощный СВЧ-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с транзисторными структурами, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера, участки контактной металлизации которых соединены с соответствующими им электродами корпуса. Для соединения с электродами корпуса контактной металлизации, как минимум, областей базы и эмиттера каждой структуры, используются проводники, присоединяющиеся к специальным площадкам на лицевой поверхности подложки, контактирующим с соответствующими участками контактной металлизации [1].

Недостатками такого транзистора являются неравномерное распределение мощности по транзисторным структурам и его плохая термическая устойчивость вследствие положительной обратной связи по теплу, приводящие к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзистора.

В другом мощном СВЧ-транзисторе 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 [2, с.106]. Сопротивления балластных резисторов могут быть различными для различных ячеек в зависимости от условий отвода тепла и распределения входной мощности [3]. Это позволяет повысить температурную стабильность транзисторных структур, тем самым повысив P₁ и надежность транзистора.

Недостатком такого транзистора является увеличение паразитной емкости площадок для присоединения эмиттерных и базовых проводников, приводящей к снижению коэффициента усиления по мощности К_p транзистора, за счет добавления к площади металлизации под потенциалом эмиттера площади балластного резистора [2, с.18, 38].

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 [4]. 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). Аналогичным образом, за счет формирования выемок в металлизации балластных резисторов, достигается уменьшение паразитной емкости балластных резисторов [5].

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 [6], препятствует достижению максимального коэффициента усиления по мощности транзистора на его рабочей частоте f₀.

Выходная цепь i-ой 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_оi (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, в том числе, и емкости площадок эмиттерной и базовой металлизации, и емкость металлизации резистора [2, с.16], 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 входных цепей транзисторных ячеек

где L_{вых i}=L_кi+L_oi - полная индуктивность входного контура i-ой транзисторной ячейки, (в схема с ОБ, фиг.1, L_{вых i}=L_Кi+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_р=Р_вых/P_вx на его основной рабочей частоте f₀.

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 и полупроводниковой подложкой 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, и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера, причем хотя бы одна из площадок или один из балластных резисторов, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины их металлизации, согласно изобретению площади выемок в площадках и балластных резисторах хотя бы двух транзисторных ячеек удовлетворяют условию:

где S_эj, S_бj, S_pj, S_эk, S_бk, S_pk - площади фигур, ограничивающих соответственно эмиттерные и базовые площадки и балластные резисторы j-ой и k-ой ячеек; S_эрj, S_эpk - площади перекрытия эмиттерных площадок и балластных резисторов соответственно j-ой и k-ой ячеек; S_эвj, S_бвj, S_pвj, S_эвk, S_бвk, S_pвk - площади выемок соответственно в эмиттерных и базовых площадках и балластных резисторах j-ой и k-ой ячеек; L_оj, L_ok - индуктивности соединений электрода общего вывода с соответствующими площадками j-ой и k-ой ячеек; L_кj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-ой и k-ой ячеек с коллекторным электродом.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора, достигается за счет того, что выполнение условия (2) 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 выполнения условия (2) является различие величин С_Ki транзисторных ячеек за счет различия площадей обкладок паразитных конденсаторов, верхняя обкладка которых образована балластным резистором и металлизацией контактных площадок для присоединения эмиттерных и базовых проводников. При этом максимальное уменьшение площадей контактных площадок и балластного резистора, а следовательно, емкостей коллектора С_Ki, будет в ячейках с максимальными значениями индуктивностей выходных цепей L_{вых i}. Это приводит к уменьшению разницы произведений С_Ki·_{Lвых i, следовательно, согласно (1) к уменьшению средней разности резонансных частот выходных цепей транзисторных ячеек f0i и основной рабочей частоты транзистора f0, близкой к среднему значению f0i. В результате на частоте f0 будет больше величина выходного резонансного сопротивления транзистора Rвых(f0), а значит, при некотором допустимом уровне выходной мощности P1, будет больше, по сравнению с прототипом, значение коэффициента усиления по мощности Кр [2, с.15]:}

K_p(f₀)=|h₂₁(f₀)|²·^{R_вых(f₀)/R_вх(f₀),}

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

Выполнение левой части неравенства (2) предотвращает избыточную компенсацию неоднородности индуктивностей L_{вых i}, изменением емкостей С_Ki, и таким образом определяет максимальную разницу площадей выемок в балластных резисторах и металлизированных площадках любой пары транзисторных ячеек.

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. Аналогично, в металлизации балластного резистора 12 имеются сквозные выемки 14. На фиг.3 показаны места присоединения 15 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 соотношение площадей выемок 13 в площадках 7 и выемок 14 в балластном резисторе 12 в соответствии с условием (2) обеспечивает разницу коллекторных емкостей С_Ki ячеек 6, которые могут быть представлены в виде суммы:

где С_{Kр-n i} - емкость коллекторного р-n-перехода, С_{Kмет i} - емкость металлизации площадок 7 и резистора 12, за счет разницы составляющих С_{Kмет i}. В свою очередь, емкости C_{Kмeт i}:

пропорциональны суммарной площади площадок 7 и резистора 12 соответствующих ячеек (ε ₀≈_{8,85· 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная в СИ; ε и d - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика под площадками 7 и резистором 12), уменьшаемой на величину площади выемок 13 и 14:}

Соотношение резонансных частот двух ячеек в конструкции прототипа:

так как С_Ki=С_Kk. В заявляемом транзисторе:

Для достижения положительного эффекта необходимо: С_Ki>С_Kk, если L_Ki<L_Kk. Так как С_{Kр-n i}=С_{Kр-n k}, то с учетом выражений (3) и (4), получим правую часть неравенства (2).

С другой стороны, при С_Ki/С_Kk>(L_Kk/L_Ki)², отношение большего из двух значений резонансных частот f_{peз i}, f_{peз k} к меньшему из значений возрастет по сравнению с прототипом, что недопустимо. С учетом того, что в реальных конструкциях мощных СВЧ транзисторов величина С_{Кмет i} не превышает половины полной коллекторной емкости С_Кi [2, с.19], из последнего условия получим левую часть неравенства (2).

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 C_Ki и сопротивлением коллектора R_Ki, с основной рабочей частотой транзистора f₀ 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.

2. 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.

3. Однотактный СВЧ-транзистор / А.с. СССР №1762708, МКИ H 01 L 29/70, заявл. 11.07.89.

4. Заявка Японии №63-136637, МКИ H 01 L 21/60, 1988 - прототип.

5. Мощная СВЧ транзисторная структура / Заявка на изобретение №2002130079/28 (031719).

6. 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.

Использование: в полупроводниковой электронике в конструкциях мощных СВЧ полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: в мощном СВЧ-транзисторе, содержащем основание с электродами и полупроводниковую подложку с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера, согласно изобретению хотя бы одна из площадок или один из балластных резисторов, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины их металлизации. При этом суммарная площадь выемок в балластном резисторе и контактных площадках металлизации эмиттерных и базовых областей хотя бы одного транзисторного модуля, предназначенных для уменьшения паразитной емкости площадок, увеличивается по мере увеличения индуктивности его выходной цепи, отношение суммарных площадей резисторов и контактных площадок данного транзисторного модуля и любого другого не превосходит половины квадрата отношения соответствующих индуктивностей выходных цепей. Техническим результатом изобретения является уменьшение неоднородности значений резонансных частот выходных цепей отдельных транзисторных ячеек за счет компенсации различия индуктивностей выходных цепей соответствующим различиям значений емкостей выходных цепей, а также увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора. 3 ил.

Мощный СВЧ-транзистор, содержащий основание с электродами и полупроводниковой подложкой 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, и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера, причем хотя бы одна из площадок или один из балластных резисторов, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины их металлизации, отличающийся тем, что площади выемок в площадках и балластных резисторах хотя бы двух транзисторных ячеек удовлетворяют условию:

где S_эj, S_бj, S_pj, S_эk, S_бk S_pk - площади фигур, ограничивающих соответственно эмиттерные и базовые площадки и балластные резисторы j-й и k-й и k-й ячеек; S_эpj, S_эpk - площади перекрытия эмиттерных площадок и балластных резисторов соответственно j-й и k-й ячеек; S_эвj, S_бвj, S_pвj, S_эвk, S_бвk, S_pвk - площади выемок соответственно в эмиттерных и базовых площадках и балластных резисторах 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_kj, L_кk - индуктивности соединений коллекторных областей j-й и k-й ячеек с коллекторным электродом.