МОЩНЫЙ ВЧ И СВЧ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2010 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 диэлектрическое основание, на котором размещен конденсатор, первая обкладка которого соединена с проволочными проводниками с входным электродом и металлизацией первых активных областей транзисторных ячеек, расположенных на полупроводниковой подложке, а вторая обкладка соединена с электродом общего вывода и металлизацией вторых активных областей транзисторных ячеек [1]. В целях стабилизации распределения тепловой мощности по транзисторным ячейкам и уменьшения положительной тепловой обратной связи в цепь эмиттера каждой транзисторной ячейки последовательно включено стабилизирующее сопротивление r_э в виде тонкопленочного или диффузионного балластного резистора. Наличие балластных резисторов уменьшает вероятность отказа транзисторной структуры вследствие теплового пробоя и позволяет увеличить ее выходную мощность [2].

Недостатком такого транзистора является снижение коэффициента усиления по мощности К_УР по мере повышения равномерности распределения мощности по транзисторным ячейкам, обеспечиваемого увеличением сопротивлений балластных резисторов r_э [3].

В другом мощном ВЧ и СВЧ транзисторе балластные резисторы, сформированные каждый вблизи соответствующей ему транзисторной ячейки, имеют различные сопротивления r_эi, i=1, …, N, определяемые пространственным взаиморасположением транзисторных ячеек. Это позволяет увеличить входные сопротивления подверженных перегреву транзисторных ячеек, тем самым уменьшив их тепловую положительную обратную связь, без увеличения входных сопротивлений других транзисторных ячеек и приводящего к заметному снижению К_УР, повышению входного сопротивления транзисторной структуры в целом.

Недостатком такой транзисторной структуры является увеличение паразитных емкостей «эмиттер-коллектор» за счет увеличения площадей отдельных балластных резисторов, что приводит к снижению коэффициента усиления по мощности и КПД транзистора [4].

Наиболее близким по совокупности признаков является мощный ВЧ и СВЧ транзистор, в котором ряды проводников, соединяющих первую обкладку с входным электродом и металлизацией первых активных областей транзисторных ячеек, присоединяются к обкладке на ее противоположных краях [5].

Увеличение проходной емкости «эмиттер-коллектор» при увеличении последовательных стабилизирующих сопротивлений в цепи эмиттера транзисторных ячеек, обеспечивающем повышение выходной мощности транзистора и снижение вероятности отказа транзистора вследствие теплового пробоя, препятствует достижению максимального значения коэффициента усиления по мощности транзистора.

Увеличение сопротивлений стабилизирующих резисторов r_эi приводит к увеличению рассеиваемой в коллекторе мощности [6], следовательно - мощности, передаваемой в нагрузку [7]. Однако при этом увеличивается длина резистора и его площадь, а следовательно, площадь верхней обкладки паразитного конденсатора «эмиттер-коллектор» С_КЭ, образованной резистором и металлизацией эмиттера над коллектором. Общим следствием увеличения сопротивления r_эi является увеличение проходной емкости «эмиттер-коллектор» и снижение коэффициента усиления по мощности транзистора К_УР [4].

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения паразитной емкости «коллектор-эмиттер» транзистора за счет уменьшения площади элементов, находящихся под потенциалом эмиттера и расположенных на полупроводниковой подложке, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном ВЧ и СВЧ транзисторе, содержащем диэлектрическое основание, на котором размещен конденсатор, первая обкладка которого соединена с базовым выводом корпуса и контактными площадками металлизации базовых областей, расположенных на полупроводниковой подложке транзисторных ячеек, один край второй обкладки соединен с эмиттерным выводом корпуса, а противоположный ему край второй обкладки соединен N проводниками с контактными площадками металлизации эмиттерных областей транзисторных ячеек, причем от края второй обкладки, соединенного с контактными площадками, с обеих сторон мест присоединения к обкладке M≤N проводников сделаны выемки, а сопротивления соединений эмиттерных областей со второй обкладкой конденсатора равны r_эk, k=1, …, N, согласно изобретению, ширины участков между выемками w_j и полусуммы длин смежных краев выемок слева и справа от участков l_j удовлетворяют условиям:

где Δ_k и Δ_j - расстояния от расположенных между выемками мест присоединения соответствующих проводников до ближайшего края второй обкладки.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, уменьшение потерь мощности в полосе рабочих частот транзистора, достигается за счет того, что в промежутках выемок в обкладке конденсатора, сформированных в соответствии с условиями (3), образуются дорожки, сопротивление которых позволяет частично или полностью реализовать разницу между сопротивлениями r_эk, тем самым уменьшив площадь балластных резисторов с повышенными значениями r_эk, или частично, или полностью реализовать весь набор сопротивлений, стабилизирующих сопротивлений r_эk, тем самым уменьшив или сведя к нулю площадь всех балластных резисторов. Поскольку балластные резисторы расположены на полупроводниковой подложке над коллекторной областью и находятся под потенциалом эмиттера, уменьшение их площади приводит к уменьшению паразитной емкости «коллектор-эмиттер» транзистора.

На чертеже схематично показан заявляемый мощный ВЧ и СВЧ транзистор.

Мощный ВЧ и СВЧ транзистор состоит из диэлектрического основания 1, на котором расположены конденсатор 2 и полупроводниковая подложка 3 с транзисторными ячейками 4, для которых она является общей коллекторной областью. Первая обкладка 5 конденсатора соединена проводниками 6 с контактными площадками 7 металлизации базовых областей транзисторных ячеек 4 и непосредственно контактирует с металлизацией 8 базового вывода корпуса. Один край второй обкладки 9 соединен проводниками 6 с эмиттерным выводом корпуса 10, а противоположный ему край соединен N проводниками 6 с контактными площадками 11 металлизации эмиттерных областей транзисторных ячеек 4.

Первая обкладка 5 на чертеже показана нижней, а вторая обкладка 9 - верхней. С контактными площадками 11 и металлизацией эмиттерных областей транзисторных ячеек 4 контактируют своими противоположными краями балластные резисторы 12. Во второй обкладке 9 конденсатора 2 сформированы выемки 13, таким образом, что места присоединений отдельных проводников 6 к обкладке 9 оказываются в промежутках выемок 13. На чертеже также показаны: коллекторный вывод 14, соединенный с полупроводниковой подложкой 3 коллекторной металлизацией 15, а также проводящая балка 16, через которую контактные площадки 7 базовых областей транзисторных ячеек 4 дополнительно соединены проволочными проводниками 6 с металлизацией 8 базового вывода в целях уменьшения его индуктивности.

При работе мощного ВЧ и СВЧ транзистора в схеме с общей базой от расположенных между выемками 13 мест присоединения M≤N проводников 6 к краю второй обкладки 9 растекание токов эмиттера по поверхности обкладки ограничено металлическими полосками, ширина которых w_k равна расстоянию между смежными краями образующих их выемок 13, а эффективная длина l_k равна полусумме длин этих краев за вычетом расстояния Δ_k от места присоединения проводника 6 до ближнего края обкладки 9.

Сопротивление металлических полосок, включая сопротивление за счет наведения вихревых токов в первой (нижней) обкладке конденсатора и омическое сопротивление:

где w_k и l_k - ширина и эффективная длина полоски; D и σ₁ - толщина и удельная проводимость материала первой обкладки конденсатора; h и σ₂ - толщина и удельная проводимость материала второй (нижней) обкладки; и толщины скин-слоя соответственно в первой и второй обкладках конденсатора, µ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная в СИ, µ₁ и µ₂ - относительные магнитные проницаемости материалов первой и второй обкладок.

Оптимальное распределение мощности транзисторным структурам 2 для достижения ее максимального значения и одновременно реализации максимального значения К_УР достигается за счет реализации оптимального набора сопротивлений r_эk, k=1, …, N, включенных между контактной металлизацией областей эмиттера транзисторных ячеек 4 и второй обкладкой 9 конденсатора внутреннего входного согласующего LC-звена.

Как следует из формул (2)-(4), сопротивление металлических полосок r_{пол k} прямо пропорционально их эффективной длине l_k и обратно пропорционально ширине w_k. Таким образом, выполнение условия (1) позволяет полностью или частично реализовать разницу сопротивлений r_эk, необходимых для оптимального распределения мощности по транзисторным ячейкам, за счет разницы сопротивлений r_{пол k}, в свою очередь, создаваемой за счет различной эффективной длины l_k и ширины w_k промежутков между выемками 13. Увеличение сопротивления r_эk для уменьшения мощности рассеиваемой транзисторной ячейкой, соединенной k-м проводником 6 со второй обкладкой 9 конденсатора относительно рассеиваемой мощности транзисторной ячейки с последовательным сопротивлением в цепи эмиттера r_эj, соединенной с обкладкой 9 j-м проводником, может быть осуществлено путем уменьшения ширины w_k k-го промежутка между выемками и его эффективной длины l_k. Кроме того, за счет сопротивления металлической полоски r_{пол k}, может быть частично или полностью реализовано сопротивление r_эк≥r_{пол k}. Это обеспечивает снижение, вплоть до нуля, сопротивлений балластных резисторов 12 с сопротивлениями r_бk=к_эk-r_{пол k}, следовательно, уменьшение или сведение к нулю длины и площади балластных резисторов. Таким образом, снижается площадь верхней обкладки паразитного конденсатора и проходная емкость «коллектор-эмиттер», что обеспечивает увеличение коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры.

Ограничение изменения ширины полосок правой частью неравенства (1) исключает выход реализуемых соотношений сопротивлений полосок r_{пол k}/r_{пол j} за пределы необходимых соотношений стабилизирующих сопротивлений r_эk/r_эj.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hale R.I. Hybrid Transistor / R.I.Hale. - US Patent 4393392, Int. C1. H01L 23/02; US C1. 357/74. - 12.07.83.

2. 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. - стр.91.

3. Там же, стр.18, 30, 38.

4. Там же, стр.8, 11, 37.

5. RU 2328058 С1, ГОУВПО Воронежский государственный университет, 17.06.2008.

6. 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. - стр.102.

7. Там же, стр.6, 7.

8. Евстигнеев А.С. Параметры полосковой линии на полупроводниковой подложке / А.С.Евстигнеев // Электронная техника. Сер.2, Полупроводниковые приборы. - 1981. - Вып.5. - стр.32-37.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и позволяет увеличить коэффициент усиления по мощности ВЧ и СВЧ транзистора, в котором на противоположных сторонах одной из обкладок конденсатора внутреннего входного согласующего LC-звена располагаются контакты проводников (КП), соединяющих обкладку с эмиттерным выводом корпуса, и КП, соединяющих ее с эмиттерными областями транзисторных ячеек (ТЯ), причем некоторые из последних КП располагаются на металлизированных полосках (МП), ограниченных краем обкладки и перпендикулярными ему выемками. Для этого длины и ширины МП выбираются таким образом, чтобы за счет пропорциональных их отношению сопротивлений МП частично или полностью реализовать соответствующие стабилизирующие сопротивления (СС) между эмиттерными областями ТЯ и обкладкой конденсатора, обеспечивающие равномерный разогрев ТЯ в рабочем режиме. Это позволяет уменьшить площадь находящихся под потенциалом эмиттера конструкционных элементов ТЯ и тем самым уменьшить паразитную проходную емкость «коллектор-эмиттер». 1 ил.

Мощный ВЧ и СВЧ транзистор, содержащий диэлектрическое основание, на котором размещен конденсатор, первая обкладка которого соединена с базовым выводом корпуса и контактными площадками металлизации базовых областей, расположенных на полупроводниковой подложке транзисторных ячеек, один край второй обкладки соединен с эмиттерным выводом корпуса, а противоположный ему край второй обкладки соединен N проводниками с контактными площадками металлизации эмиттерных областей транзисторных ячеек, причем от края второй обкладки, соединенного с контактными площадками, с обеих сторон мест присоединения к обкладке M≤N проводников сделаны выемки, а сопротивления соединений эмиттерных областей со второй обкладкой конденсатора равны r_эk, k=1, …, N, отличающийся тем, что ширины участков между выемками w_j и полусуммы длин смежных краев выемок слева и справа от участков l_j удовлетворяют условиям:
,
где Δ_k и Δ_j - расстояния от расположенных между выемками мест присоединения соответствующих проводников до ближайшего края второй обкладки.