МОЩНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ТРАНЗИСТОРНАЯ СТРУКТУРА 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.

Известна мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура, содержащая полупроводниковую подложку, в которой сформирована коллекторная и N базовые области, каждая из включает в себя эмиттерную область, соединенную с металлизированной площадкой для присоединения проволочного проводника посредством балластного резистора сопротивлением r_э из материала с высоким удельным сопротивлением [1]. Наличие балластных резисторов уменьшает положительную тепловую обратную связь и предотвращает значительное перераспределение рабочих токов при повышении температуры коллекторных p-n-переходов, тем самым снижая вероятность отказа транзисторной структуры вследствие теплового пробоя и позволяя увеличить ее выходную мощность [2].

Недостатком такой транзисторной структуры является снижение коэффициента усиления по мощности К_УР по мере стабилизации и повышения равномерности распределения мощности по областям транзисторной структуры, обеспечиваемым увеличением сопротивлений балластных резисторов r_э [3].

В другой мощной ВЧ и СВЧ транзисторной структуре балластные резисторы, один край каждого из которых контактирует с контактной металлизацией соответствующей эмиттерной области, а противоположный край - с металлизированной площадкой для присоединения проволочного проводника, имеют различные сопротивления r_эi i=1, …, N, определяемые пространственным взаиморасположением N эмиттерных областей. Это позволяет увеличить входные сопротивления подверженных перегреву областей транзисторной структуры, тем самым уменьшив их тепловую положительную обратную связь, без увеличения входных сопротивлений других областей транзисторной структуры 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 транзисторной структуры и ее КПД [4].

Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная СВЧ транзисторная структура, в которой контактная металлизация областей, находящихся под потенциалом общего вывода транзистора (эмиттерных в схеме с общим эмиттером, базовых в схеме с общей базой), контактирует непосредственно с верхней обкладкой конденсатора, сформированного на диэлектрическом покрытии полупроводниковой подложки, а металлизация оставшегося из двух типов областей (базовых в схеме с общим эмиттером, эмиттерных в схеме с общей базой) соединена с нижней обкладкой конденсатора посредством металлических полосок [5]. Это позволяет повысить коэффициент усиления по мощности и КПД транзисторной структуры путем снижения индуктивности общего вывода, а также увеличения однородности и воспроизводимости характеристик входных согласующих LC-звеньев отдельных областей транзисторной структуры, образованных сформированными на ее диэлектрическом поверхности конденсатором и металлическими полосками, за счет повышения воспроизводимости индуктивностей полосок.

Увеличение площади находящихся под рабочими потенциалами металлизированных участков на диэлектрическом покрытии полупроводниковой подложки препятствует достижению максимального значения коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры.

Площадь металлизированных полосок, являющихся продолжением контактной металлизации активных областей транзисторной структуры, суммируется с площадью обкладки паразитного конденсатора, образованного металлизацией под потенциалом эмиттера или базы, диэлектрическим покрытием поверхности подложки и самой подложкой, находящейся под потенциалом коллектора. Тем самым увеличивается проходная емкость «коллектор-эмиттер» или «коллектор-база» соответственно, что приводит к снижению граничной частоты коллекторной цепи и коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры [4, 6].

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения паразитной емкости «коллектор-эмиттер» транзисторной структуры за счет уменьшения площади металлизированных полосок, соединяющих эмиттерные области с нижней обкладкой конденсатора входного согласующего LC-звена, сформированного на диэлектрическом покрытии полупроводниковой подложки, а также за счет реализации балластных резисторов сопротивлением металлических полосок, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзисторной структуры.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной высокочастотной транзисторной структуре, содержащей полупроводниковую подложку, в которой сформированы базовые области, внутри каждой из которых сформирована эмиттерная область, и расположенный на поверхности полупроводниковой подложки конденсатор, одна из обкладок которого соединена с металлизацией эмиттерных областей посредством N металлических полосок, сформированных на диэлектрическом покрытии поверхности полупроводниковой подложки, причем сопротивление k-го из числа N соединений металлизации эмиттерной области с обкладкой конденсатора равно r_эk, согласно изобретению ширины металлических полосок w_j удовлетворяют условию:

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры, достигается за счет того, что уменьшение ширины металлических полосок в обратной пропорции сопротивлениям r_эk, необходимым для стабилизации входных сопротивлений областей транзисторной структуры, позволяет, во-первых, уменьшить площадь металлических полосок и, во-вторых, частично или полностью реализовать необходимое значение r_эk за счет сопротивления металлической полоски, равного сумме омического сопротивления и сопротивления за счет наведения вихревых токов в полупроводниковой подложке, и, тем самым, уменьшить паразитную емкость «коллектор-эмиттер» транзисторной структуры.

На фиг.1, 2 схематично показаны два варианта реализации заявляемой мощной высокочастотной транзисторной структуры.

Мощная высокочастотная транзисторная структура состоит из полупроводниковой подложки 1, в приповерхностных областях которых сформированы базовые области 2, в пределах каждой из которых сформированы эмиттерные области. Металлизация базовых областей 3 и металлизация эмиттерных областей 4 контактируют соответственно с верхней обкладкой конденсатора 5 непосредственно (фиг.1) или посредством проводников 9 (фиг.2) и полосками металлизации 6 различной ширины, которые, в свою очередь, контактируют с нижней обкладкой конденсатора 5. Для соединения нижней и верхней обкладки конденсатора 5 проводниками с другими элементами конструкции транзистора предназначены соответственно контактные площадки 7 и выступы в верхней обкладке 8 (в варианте конструкции, показанном на фиг.2, отсутствуют).

При работе мощной высокочастотной транзисторной структуры в составе мощного ВЧ транзистора или усилительной ВЧ гибридной интегральной схемы оптимальное распределение мощности по ее активным областям 2 и одновременно достижение максимального значения К_УР достигается за счет реализации оптимального набора сопротивлений r_эk, k=1, …, N, включенных между контактной металлизацией областей эмиттера 4 и нижней обкладкой конденсатора 5 входного согласующего LC-звена. При этом сопротивление металлических полосок 6 [8]:

где l и w_k - длина и ширина полоски; D и σ_n - толщина и удельная проводимость полупроводниковой подложки; h и σ_м - толщина и удельная проводимость полосок; и - толщины скин-слоя соответственно в полупроводниковой подложке и металлической полоске, µ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная в СИ, µ_n и µ_м - относительные магнитные проницаемости материалов соответственно полупроводниковой подложки и полосок;

Как следует из формул (2)-(4), изменение ширины полоски w_k приводит к обратно пропорциональному изменению ее сопротивления r_{пол k}. Таким образом, выполнение условия (1) позволяет полностью или частично реализовать разницу сопротивлений r_эk, необходимых для оптимального распределения мощности по областям транзисторной структуры, за счет разницы сопротивлений r_{пол k}, в свою очередь, создаваемой за счет различной ширины w_k полосок, соединяющих эмиттерные активные области с нижней обкладкой конденсатора. Следовательно, увеличение сопротивления r_эk относительно r_эj для уменьшения мощности, выделяемой в областях транзисторной структуры, соединенных k-й полоской с нижней обкладкой конденсатора входного согласующего LC-звена, по сравнению с областями, соединенными с нижней обкладкой конденсатора j-й полоской, может быть осуществлено путем уменьшения ширины kj-й полоски w_k. Это обеспечивает снижение общей площади N металлизированных полосок, а также позволяет полностью или частично в соответствии с условием (1) осуществить необходимую разницу между последовательными сопротивлениями в цепи эмиттера областей транзисторной структуры r_эj и r_эk для любых j, k=1, …, N за счет изменения ширины металлизированных полосок, т.е. уменьшить или свести к нулю длины, а, следовательно, суммарную площадь балластных резисторов из материала с высоким удельным сопротивлением (обычно, нихрома), включаемых между эмиттерными областями транзисторной структуры и площадками контактной металлизации эмиттера для реализации необходимых номиналов r_эk. 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. Поскольку вызванное сужением полоски увеличение ее сопротивления приводит к уменьшению в такое же количество раз протекающего по сечению полоски тока, уменьшение площади поперечного сечения полоски не сопровождается увеличением плотности тока в ней.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sideris G. Power from Transistors / G.Sideris // Electronics, vol.46, May 10, 1973. - P.68-69.

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. - С.91.

3. Там же, С.18, 30, 38.

4. 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.5, 8.

5. SU 1741190 А1, Воронежский государственный университет, 15.06.1990

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. - С.13, 18, 20.

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

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и позволяет увеличить коэффициент усиления по мощности мощной высокочастотной транзисторной структуры (ТС), в соединении эмиттерных областей (ЭО) которой с конденсатором входной согласующей цепи, сформированным на поверхности той же полупроводниковой подложки, реализованы различные стабилизирующие сопротивления (СС). Для этого ширина металлизированных полосок (МП), соединяющих отдельные ЭО с нижней обкладкой конденсатора, сужается по мере увеличения требуемого СС. Относительное уменьшение ширины МП не превышает отношение данного СС к минимальному. Это позволяет уменьшить площадь находящейся под потенциалом эмиттера металлизации поверхности подложки и за счет этого уменьшить паразитную проходную емкость «коллектор-эмиттер». 2 ил.

Мощная высокочастотная транзисторная структура, содержащая полупроводниковую подложку, в которой сформированы базовые области, внутри каждой из которых сформирована эмиттерная область, и расположенный на поверхности полупроводниковой подложки конденсатор, одна из обкладок которого соединена с металлизацией эмиттерных областей посредством N металлических полосок, сформированных на диэлектрическом покрытии поверхности полупроводниковой подложки, причем сопротивление k-го из числа N соединений металлизации эмиттерной области с обкладкой конденсатора равно r_эk, отличающаяся тем, что ширины металлических полосок w_j удовлетворяют условию
1<w_j/w_k≤r_эk/r_эj, j, k=1, …, N; r_эk>r_эj.