МОЩНЫЙ ВЧ- И СВЧ-БАЛАНСНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2008 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 ряд транзисторных ячеек, в состав которых входят две металлизированные площадки, каждая из которых соединена проволочным проводником с одним из электродов транзистора. В целях снижения паразитной емкости металлизированных площадок одноименные площадки, принадлежащие разным транзисторным ячейкам, изолированы друг от друга (US 4393392, МПК H01L 23/02, 12.07.83).

Недостатком такого транзистора является его малое (единицы и десятые доли ома) входное сопротивление, что требует применения многозвенных согласующих цепей, приводящего к уменьшению коэффициента усиления по мощности усилительного каскада, снижению его надежности и увеличению массогабаритных показателей (Петров Б.К. Потери мощности во входной согласующей цепи оконечного каскада ВЧ(СВЧ)-транзисторного усилителя на основной рабочей частоте / Б.К.Петров, О.М.Булгаков, Г.А.Осецкая // Вестник Воронежского государственного университета. - Серия: физика, математика. - 2005. - № 2. - С.65-68).

Наиболее близким по совокупности признаков является мощный балансный ВЧ- и СВЧ-транзистор, в котором транзисторные ячейки разделены на два одинаковых ряда. При этом первые металлизированные площадки ячеек каждого ряда соединяются с соответствующим этому ряду одним из двух изолированных входных электродов, а один из двух изолированных выходных электродов электрически соединен с выходными (коллекторными или стоковыми) областями транзисторных ячеек соответствующего ему ряда (Puissance Hyperfrequence: CTC Lance Le Concept du Transistor Equilibre // Inter-Electronic. - 1977. - № 252. - PP.18-21). Это позволяет использовать такой транзистор в балансных (двухтактных) схемах усиления мощности и в четыре раза повысить входное и выходное сопротивления, что приводит к уменьшению звеньев входных согласующих цепей и за счет этого к улучшению энергетических характеристик и показателей надежности транзистора. Каждый из двух рядов транзисторных ячеек с соответствующими ему электродами и конденсаторами внутренних согласующих цепей, а также системой соединения металлизированных площадок с электродами и обкладками конденсаторов образует плечо балансного транзистора.

Различие коэффициентов усиления по мощности плеч балансного транзистора препятствует достижению минимального значения его коэффициента нелинейных искажений (Никишин В.И. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.53-57, 50).

Поскольку высокочастотные потенциалы на входных электродах балансного транзистора сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°, каждое плечо балансного транзистора следует рассматривать как отдельный ВЧ- или СВЧ-транзистор, характеризующийся собственным набором электрофизических параметров (Петухов В.М. Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.4. - М.: КУбК-а, 1997. - С.210-213, 246-249, 317-319). Таким образом, индуктивности соединений активных областей ряда транзисторных ячеек с входным и выходным электродами, а также общим (эмиттерным в схеме с общим эмиттером, истоковым в схеме с общим истоком и т.п.) электродом корпуса в значительной мере определяют частотную зависимость коэффициента усиления по мощности соответствующего плеча балансного транзистора (Никишин В.И. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.18, 30, 38, 46). Различное пространственное расположение проволочных проводников, соединяющих активные области транзисторных ячеек с электродами корпуса в разных плечах балансного транзистора, относительно оси симметрии корпуса транзистора (Никишин В.И. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.51) приводит к различию потоков взаимоиндукции, наводимых токами одного плеча транзистора во входном и выходном контурах другого плеча транзистора. Это влечет за собой различие как минимум двух индуктивностей из набора эквивалентных индуктивностей плеч балансного транзистора, включая индуктивность входного электрода, что приводит к различию частотных зависимостей коэффициентов усиления по мощности плеч балансного транзистора. Таким образом, положительные и отрицательные значения входного сигнала в двухтактном усилителе мощности на балансном транзисторе усиливаются по-разному, что приводит к искажениям огибающей амплитудно-модулированного сигнала, паразитной амплитудной модуляции частотно- и фазомодулированных сигналов, генерированию паразитных гармоник, т.е. эффектов, обусловленных нелинейным усилением сигнала, приводящих к увеличению коэффициента нелинейных искажений транзистора (Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Высш. шк., 2000. - С.161).

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения различия частотных зависимостей коэффициентов усиления по мощности плеч мощного ВЧ- и СВЧ-балансного транзистора за счет ликвидации различий индуктивности его плеч.

Технический результат заключается в уменьшении коэффициента нелинейных искажений ВЧ- и СВЧ-балансного транзистора.

Технический результат достигается тем, что в известном мощном ВЧ- и СВЧ-балансном транзисторе, содержащем два изолированных друг от друга входных электрода и два изолированных друг от друга выходных электрода, а также два ряда из одинакового количества транзисторных ячеек, каждая из которых включает в себя изолированные от других транзисторных ячеек первую металлизированную площадку, на которую через проволочный проводник подается потенциал входного электрода корпуса, и вторую металлизированную площадку, на которую подается потенциал другого электрода корпуса, так что первые и вторые металлизированные площадки в каждом из рядов транзисторных ячеек чередуются, причем первые металлизированные площадки одного ряда транзисторных ячеек соединены только с одним входным электродом, а металлизированные площадки другого ряда соединены только с другим входным электродом, согласно изобретению на смежных краях рядов транзисторных ячеек располагаются одноименные металлизированные площадки.

Таким образом, заявленный технический результат достигается за счет того, что взаимная ориентация транзисторных ячеек в плечах балансного транзистора указанным способом приводит к выравниванию потоков взаимной индукции, наводимых одним плечом в другом плече, что обеспечивает идентичность частотных зависимостей коэффициентов усиления по мощности плеч транзистора вследствие совпадения значений индуктивностей и входных сопротивлений плеч.

На фиг.1 схематично показан заявляемый мощный ВЧ- и СВЧ- балансный транзистор, вид сверху. На фиг.2 изображен вариант реализации заявляемого мощного ВЧ- и СВЧ-балансного транзистора с внутренним входным согласующим LC-звеном.

Мощный ВЧ- и СВЧ-балансный транзистор состоит из основания корпуса 1, на котором расположены два входных электрода 2, два выходных электрода 3, а также электрод общего вывода 4 (фиг.1, 2). Изолированные друг от друга выходные электроды 3 электрически соединены каждый с низкоомным основанием одной из двух полупроводниковых подложек 5, на каждой из которых расположен ряд из N транзисторных ячеек 6. Первые металлизированные площадки 7 транзисторных ячеек каждого ряда соединены проводниками 8 с одним из изолированных друг от друга входных электродов 2 (фиг.1) или с верхней обкладкой одного из МДП-конденсаторов 9 внутреннего согласующего LC-звена и далее - с входным электродом 2. Вторые металлизированные площадки 10 транзисторных ячеек соединены проводниками 8 с металлической балкой 11 (фиг.1, 2) и металлизированной шиной 12 (фиг.2), непосредственно контактирующими с электродом общего вывода 4.

При работе мощного ВЧ- и СВЧ-балансного транзистора в составе каскада двухтактного усилителя мощности протекающие со сдвигом на 180° входные токи плеч I_вх1 и I_вх2 (фиг.1, 2) и порождаемые ими выходные токи и токи общего вывода наводят в соседнем плече потоки взаимоиндукции, оказывающие влияние на значения эквивалентных индуктивностей плеч, активных составляющих их входных сопротивлений и коэффициентов усиления по мощности. Размещение на смежных краях рядов транзисторных ячеек 6 одноименных металлизированных площадок 7 (фиг.1) или 10 (фиг.2) для присоединения проводников 8 приводит к тому, что проводники 8 и ограниченные ими замкнутые контуры, в которых наводятся потоки самоиндукции и взаимоиндукции, симметричны относительно оси симметрии корпуса транзистора OO'. Поскольку геометрические параметры и взаимное расположение замкнутых контуров, по которым протекают рабочие токи транзистора, в обоих плечах одинаковы и переменные высокочастотные потенциалы на электродах 2 в течение одного периода принимают одни и те же значения (с обоюдным сдвигом на 180°), средние значения комплексных амплитуд магнитных потоков и токов во входных и выходных контурах обоих плеч балансного транзистора равны (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / Л.А.Бессонов. - М.: Гардарики, 2001. - 317 с.). Следовательно, на всех частотах рабочего диапазона равны между собой эквивалентные индуктивности плеч транзистора, а также зависящие от них активные составляющие входных сопротивлений плеч и их коэффициентов усиления по мощности. Таким образом, входной сигнал одинаково усиливается в обе части периода, что свидетельствует об уменьшении коэффициента нелинейных искажений в сравнении с прототипом.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов. Изобретение позволяет понизить коэффициент нелинейных искажений мощного ВЧ- и СВЧ-балансного транзистора, предназначенного для работы в двухтактных схемах усиления мощности и содержащего два идентичных ряда транзисторных ячеек, площадки контактной металлизации входных областей каждой из которых соединены проволочными проводниками с соответствующим данному ряду входным электродом. Для этого металлизированные площадки и проволочные проводники располагаются симметрично относительно оси симметрии корпуса. Это приводит к выравниванию потоков взаимоиндукции, наводимых рабочими токами ячеек во входных и выходных контурах другого ряда, и за счет этого позволяет добиться совпадения эквивалентных индуктивностей и входных сопротивлений обоих рядов транзисторных ячеек, что обеспечивает более точное совпадение частотных зависимостей коэффициентов усиления по мощности. 2 ил.

Мощный ВЧ- и СВЧ-балансный транзистор, содержащий два изолированных друг от друга входных электрода и два изолированных друг от друга выходных электрода, а также два ряда из одинакового количества транзисторных ячеек, каждая из которых включает в себя изолированные от других транзисторных ячеек первую металлизированную площадку, на которую через проволочный проводник подается потенциал входного электрода корпуса, и вторую металлизированную площадку, на которую подается потенциал другого электрода корпуса, так что первые и вторые металлизированные площадки в каждом из рядов транзисторных ячеек чередуются, причем первые металлизированные площадки одного ряда транзисторных ячеек соединены только с одним входным электродом, а металлизированные площадки другого ряда соединены только с другим входным электродом, отличающийся тем, что на смежных краях рядов транзисторных ячеек располагаются одноименные металлизированные площадки.